Чтобы доказать существование киральных фононов, исследователи использовали резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей (RIXS). Свет с круговой поляризацией падает на кварц. Угловой момент фотонов передается кристаллу, вызывая в данном случае вращение анионов (оранжевые сферы с p-орбиталями) относительно соседних с ними катионов (зеленые сферы).
Предоставлено: Институт Пола Шеррера / Хироки Уэда и Махир Дзамбегович.

В природе во всех масштабах можно найти примеры хиральности — или хиральности. Представьте, что вы пытаетесь съесть бутерброд двумя руками, которые не являются энантиомерами — не накладываемыми друг на друга зеркальными отображениями — друг друга. Подумайте о фармакологических катастрофах, вызванных введением неправильного энантиомера лекарства, или, на субатомном уровне, о важности концепции четности в физике элементарных частиц. Теперь, благодаря новому исследованию, проведенному исследователями из Института Пауля Шеррера PSI, мы знаем, что фононы также могут обладать этим свойством.

Фонон — квазичастица, описывающая коллективные колебательные возбуждения атомов в кристаллической решетке; представьте себе это как ирландский танец атомов. Физики предсказали, что если фононы смогут продемонстрировать хиральность, они могут иметь важные последствия для фундаментальных физических свойств материалов. С быстрым ростом в последние годы исследований топологических материалов, обладающих любопытными электронными и магнитными поверхностными свойствами, интерес к хиральным фононам вырос. Тем не менее, экспериментальное доказательство их существования остается неуловимым.

Что делает фононы хиральными, так это шаги их танца. В новом исследовании атомные вибрации танцуют поворот, который движется вперед как штопор. Это штопорообразное движение является одной из причин, по которой возникло такое стремление открыть это явление. Если фононы могут вращаться таким образом, как катушка проволоки, образующая соленоид, возможно, они могли бы создавать магнитное поле в материале.

Новый взгляд на проблему

Именно эта возможность побудила группу Урса Стауба из PSI, которая руководила исследованием. «Именно потому, что мы находимся на стыке между наукой о сверхбыстром рентгеновском излучении и исследованием материалов, мы можем подойти к проблеме под другим углом», — говорит он. Исследователи заинтересованы в управлении хиральными модами материалов с помощью хирального света — света с круговой поляризацией.

Именно с помощью такого света исследователи смогли сделать свое доказательство. Используя кварц, один из самых известных минералов, атомы которого — кремний и кислород — образуют хиральную структуру, они показали, как свет с круговой поляризацией взаимодействует с хиральными фононами. Для этого они использовали технику, известную как резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей (RIXS) в Diamond Light Source в Великобритании. Это было дополнено поддерживающими теоретическими описаниями того, как процесс будет создавать и обеспечивать обнаружение хиральных фононов от групп в ETH Zurich (Карл Ромао и Никола Спалдин) и MPI Dresden (Jeroen van den Brink).

«Обычно в науке так не бывает»

В их эксперименте свет с круговой поляризацией падает на кварц. Фотоны света обладают угловым моментом, который они передают атомной решетке, запуская вибрации в свое спиральное движение. Направление вращения фононов зависит от внутренней хиральности кристалла кварца. Когда фононы вращаются, они выделяют энергию в виде рассеянного света, который можно обнаружить.

Представьте, что вы стоите на кольцевой развязке и бросаете фрисби. Если вы бросаете фрисби с тем же направлением движения, что и карусель, вы ожидаете, что он со свистом пронесется. Бросьте его в другую сторону, и он будет меньше вращаться, так как угловой момент кругового движения и фрисби уравновесится. Точно так же, когда свет с круговой поляризацией закручивается так же, как и возбуждаемый им фонон, сигнал усиливается, и можно обнаружить хиральные фононы.

Хорошо спланированный эксперимент, тщательные теоретические расчеты, а потом случилось нечто странное: почти все прошло по плану. Как только они проанализировали результаты, разница в реакции на изменение хиральности света стала неоспоримой.

«Результаты были убедительными почти сразу, особенно когда мы сравнили разницу с другими энантиомерами кварца», — вспоминает ученый PSI и первый автор публикации Хироки Уэда. Сидя за своим компьютером, чтобы проанализировать данные, Уэда был первым, кто увидел результаты: «Я продолжал проверять свои коды анализа, чтобы убедиться, что это правда». Штауб подчеркивает: «Это ненормально! Обычно в науке так не бывает!»

Во время поисков киральных фононов было несколько ложных тревог. Уладит ли это дискуссию? «Да, я так думаю, в этом вся прелесть этой работы», — считает Штауб, чье мнение разделяют рецензенты в Nature. «Потому что это просто, красиво и прямолинейно. Это очевидно. Это так просто, очевидно, что это и есть хиральное движение».