Švýcarští vědci potvrdili existenci chirálních fononů, klíčových pro spintroniku

Vědcům z Paul Scherrer Institute (PSI) ve Švýcarsku se v roce 2023 podařilo experimentálně prokázat existenci chirálních fononů – kvazičástic, které v krystalové mřížce nesou vlastní směr otáčení, podobně jako je tomu u elementárních částic s vlastností nazývanou spin. Tento objev potvrdil dlouho diskutovanou teoretickou předpověď a otevřel nové možnosti pro výzkum v oblasti fononiky a spintroniky.

Fonony jsou kvanta vibrací krystalové mřížky, tedy kolektivní pohyb atomů v pevné látce. Dlouhou dobu se předpokládalo, že fonony mohou nést nejen energii, ale i moment hybnosti spojený s otáčivým pohybem atomů kolem jejich rovnovážné polohy. Pokud se atomy v mřížce pohybují po kruhové nebo eliptické dráze, vzniká takzvaný chirální fonon – tedy fonon s definovanou handedness, čili s jasně určeným směrem otáčení, ať doprava, nebo doleva.

Přestože se o chirálních fononech teoreticky uvažovalo již dříve, jejich přímé experimentální prokázání bylo obtížné. Bylo potřeba nejen detekovat vibrace atomů, ale zároveň rozlišit, v jakém směru se otáčejí. Týmu z PSI se to podařilo díky použití pokročilých spektroskopických metod, které umožňují sledovat pohyb atomů s vysokým časovým i prostorovým rozlišením.

Vědci využili k experimentu specifický materiál s krystalovou strukturou, která umožňuje vznik kruhového pohybu atomů. Pomocí polarizovaného světla dokázali excitovat fonony s konkrétním směrem otáčení a následně tento stav detekovat. Klíčovým prvkem experimentu bylo prokázání, že fonony vybuzené světlem s jednou polarizací mají opačnou handedness než fonony vybuzené světlem s polarizací opačnou – tedy že se skutečně jedná o dva rozdílné, symetricky opačné stavy.

Výsledek potvrdil, že fonony mohou nést nejen energii, ale skutečně i moment hybnosti spojený s konkrétním směrem rotace. Tato vlastnost byla dosud přisuzována především elektronům a fotonům, u fononů zůstávala spíše teoretickou konstrukcí. Experimentální důkaz z PSI tak zaplnil mezeru mezi teorií a praxí a otevřel prostor pro další výzkum.

Chirální fonony mají potenciál využití v oblastech, kde se pracuje s přenosem informace pomocí vibrací mřížky místo elektrického proudu. To by mohlo v budoucnu přispět k vývoji energeticky úspornějších elektronických a spintronických zařízení. Spintronika, obor zabývající se manipulací se spinem elektronů pro účely zpracování a ukládání dat, by mohla díky chirálním fononům získat další nástroj – možnost ovládat magnetické vlastnosti materiálů pomocí řízených vibrací mřížky, aniž by bylo nutné použít elektrický proud nebo magnetické pole v tradičním smyslu.

Objev z PSI je považován za důležitý krok směrem k lepšímu pochopení interakce mezi mřížkovými vibracemi a magnetickými nebo elektronickými stupni svobody v pevných látkách. Vědci předpokládají, že chirální fonony by mohly hrát roli při vysvětlení některých dosud nejasných jevů v materiálové fyzice, například při přenosu momentu hybnosti mezi elektrony a mřížkou při ultrarychlých demagnetizačních procesech.

Experiment provedený v PSI je považován za jeden z prvních jasných a přímých důkazů chirality fononů v konkrétním materiálovém systému. Navazuje na sérii teoretických prací i dřívějších nepřímých experimentálních náznaků, které se v posledních letech objevovaly v odborné literatuře. Díky kombinaci přesných spektroskopických technik a pečlivě zvoleného materiálu se týmu podařilo poskytnout přesvědčivý experimentální základ pro koncept, který byl do té doby převážně teoretický.

Výzkum tohoto typu obvykle vyžaduje mezinárodní spolupráci a využití specializované infrastruktury, jakou PSI díky svým zdrojům synchrotronového a neutronového záření disponuje. Podobná zařízení umožňují studovat strukturu a dynamiku materiálů na atomární úrovni s přesností, která je pro potvrzení jevů, jako jsou chirální fonony, nezbytná.

Do budoucna se očekává, že objev povede k dalším experimentům zaměřeným na konkrétní materiály, u kterých by chiralita fononů mohla mít praktické důsledky, včetně možného využití v nových typech paměťových nebo výpočetních technologií založených na fononice.