Întrebări și răspunsuri: Cercetările asupra fononilor chirali oferă noi modalități de a controla materialele
Cercetarea în domeniul fononilor chirali, un subiect în plină expansiune, oferă cercetătorilor noi perspective asupra comportamentului și structurilor fundamentale ale materialelor. Chirialitatea fononilor are potențialul de a deschide noi metode pentru controlul proprietăților materialelor și de a codifica informații la nivel cuantic, având implicații importante în tehnologii cuantice, electronică, transportul energiei și tehnologia senzorilor.
Un articol recent publicat în revista Nature Physics descrie dezvoltarea acestui domeniu emergent de cercetare, oferind un cadru pentru clasificarea fononilor și o revizuire completă a materialelor în care fononii chirali au fost studiați sau ar putea fi descoperiți în viitor. Această lucrare contribuie la accelerarea progresului într-una dintre cele mai dinamice zone ale materialelor cuantice de astăzi.
Matthias Geilhufe, profesor asistent la Departamentul de Fizică, este implicat în cercetarea fononilor chirali și este unul dintre autorii principali ai acestui articol.
Ce sunt fononii chirali și unde apare fenomenul lor?
Materialele care ne înconjoară sunt alcătuite dintr-un număr imens de ioni și electroni. De multe ori, acești ioni sunt aranjați într-o structură regulată numită rețea cristalină. Într-o astfel de rețea, ionii sunt organizați sub formă de grilă regulată. Cu toate acestea, ionii nu rămân imobiili în pozițiile lor din rețea. Deoarece ionii interacționează între ei, mișcarea lor poate fi descrisă prin valuri. Aceste valuri de excitații în rețea, care pot fi descrise prin mecanica cuantică, sunt denumite fononi.
Chirialitatea este un concept fundamental în natură, referindu-se la obiecte care nu pot fi suprapuse asupra imaginii lor oglindă. Un exemplu clasic este reprezentat de mâinile noastre: mâna dreaptă este imaginea oglindită a mâinii stângi, dar cele două nu pot fi aliniate perfect. În chimie, formele de oglindă ale unei molecule sunt denumite enantiomeri. Fononii chirali sunt excitații în rețea în care există două enantiomeri distincte. Aceștia pot apărea în mod natural datorită simetriei cristalului sau pot fi excitați folosind câmpuri laser.
Ce ar putea conduce cunoașterea fononilor chirali în viitor?
Simetria fononilor chirali le permite să se cupleze cu magnetizarea unui material sau cu câmpuri magnetice aplicate. În ultimii cinci ani, au fost dezvoltate diverse experimente care demonstrează că acest cuplaj este semnificativ mai puternic decât s-a crezut anterior. Anumiți fononi chirali posedă moment unghiular, ceea ce introduce un câmp magnetic eficace.
De exemplu, acest câmp a fost demonstrat a fi suficient de puternic pentru a controla magnetizarea unui material – un aspect esențial pentru viitoarele metode de stocare a informațiilor în calculatoare. Este demn de menționat că generarea unui câmp magnetic eficace utilizând fononi chirali necesită mult mai puțină energie comparativ cu câmpurile magnetice convenționale.
Chiar și fononii chirali fără moment unghiular—denumiți fononi chirali geometrice—s-au dovedit capabili să se cupleze cu spinul electronilor printr-un efect cunoscut sub numele de CISS (Chirality-Induced Spin Selectivity). Efectul CISS este, de asemenea, important în chimie, unde proprietățile moleculare pot depinde puternic de tipul de enantiomer. Dacă vom putea controla fononii chirali geometrice, ar putea deveni posibil să dezvoltăm catalizatori care disting între cele două enantiomere utilizând câmpuri laser.
Ce este cel mai interesant despre fononii chirali?
Împreună cu grupul meu de cercetare de la Universitatea Tehnică Chalmers, am dezvoltat modele teoretice care explică modul în care fononii chirali pot conduce la un cuplaj puternic cu magnetizarea. Cred că acest efect ar putea fi utilizat nu doar pentru noi tehnologii, ci ar putea contribui și la explicarea anumitor tranziții de fază în materiale ce au rămas insuficient înțelese în prezent. Suntem în mod special interesați de rolul fononilor chirali în sistemele multibody și generalizările fononilor chirali, cum ar fi în sistemele rotative.
Mai multe informații pot fi găsite în articolul lui Dominik M. Juraschek și colegii săi, „Chiral phonons”, publicat în Nature Physics (2025).
