科學家發現手性聲子-二維半導體晶體中的原子旋轉

來自能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的一個研究小組發現了第一個證據，即原子級薄(2-D)材料結構中的搖動運動具有自然發生的圓形旋轉

這種旋轉可以成為新形式的信息技術的基石，也可以成為驅動微觀電機和機器的分子級轉子的設計。

單層材料，二硒化鎢(WSe 2)，因其不尋常的維持特殊電子特性的能力而聞名，而這些電子特性在其他材料中更為短暫。

它被認為是一種廣受歡迎的數據存儲形式的候選者，例如谷電子學，例如，材料中電子的動量和波動運動可以被分類到材料電子結構中相對的“谷”中，每個這些谷代表傳統二進制數據中的1和0。

現代電子設備通常依賴于電子電荷的操縱來攜帶和存儲信息，但是隨著電子設備越來越小型化，它們更容易受到與熱量積聚和漏電相關的問題的影響。

這項最新研究于2月1日在線發表在“ 科學 ”雜志上，提供了克服這些問題的可能途徑。據報道，一些材料的聲子，一個描述原子晶體中集體振動的術語，在某個方向上自然旋轉。

這個屬性被稱為手性 - 類似于一個人的左右手，其中左手和右手是彼此的鏡像但不相同。控制該旋轉的方向將提供攜帶和存儲信息的穩定機制。

“固體中的聲子通常被認為是原子的集體線性運動，”該研究的通訊作者，勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學部高級科學家兼加州大學伯克利分校教授張翔說。“我們的實驗發現了一種新型的所謂手性聲子，其原子在鎢二硒化合物的原子單層晶體中以圓圈運動。”

該研究的第一作者，張氏研究組的博士后研究員朱漢宇說：“手性聲子的最大優勢之一是旋轉被粒子的動量鎖定，不易受到干擾。”

在所研究的聲子模式中，硒原子似乎共同沿順時針方向旋轉，而鎢原子沒有顯示出運動。研究人員準備了一個“三明治”，四片厘米大小的單層WSe 2 樣品放在薄的藍寶石晶體之間。他們同步超快激光來記錄與時間有關的運動。

兩個激光源會聚在樣品上的一個點上，直徑僅為百萬分之七十米。其中一個激光器在兩種不同的調諧模式之間精確切換，以感知左右手性聲子活動的差異。

所謂的泵浦激光產生可見的紅光脈沖，激發樣品，探測激光產生中紅外脈沖，在第一萬億分之一秒內跟隨第一個泵浦脈沖。每1億個中約有一個中紅外光子被WSe 2吸收并轉換成手性聲子。

然后研究人員從樣本中捕獲了高能發光，這是這種罕見吸收事件的標志。通過這種被稱為瞬態紅外光譜的技術，研究人員不僅證實了手性聲子的存在，而且還準確地獲得了它的旋轉頻率。

到目前為止，該過程僅產生少量手性聲子。研究的下一步將是產生更多數量的旋轉聲子，并了解晶體中的劇烈攪動是否可用于翻轉電子自旋或顯著改變材料的谷特性。旋轉是電子的固有屬性，可以被認為是它的羅盤針 - 如果它可以被翻轉到指向北方或南方，它可以用于以稱為自旋電子學的新形式的電子學傳遞信息。

“用于設備應用的潛在的基于聲子的電子和自旋控制非常令人興奮并且觸手可及，”朱說。“我們已經證明了聲子能夠切換電子谷。此外，這項工作允許使用旋轉原子作為小磁鐵來引導旋轉方向。“

研究中發現的手性特性可能存在于各種二維材料中，基于其原子結構中的類似圖案，朱還指出，該研究可以指導電子 - 聲子相互作用的理論研究和材料設計。增強基于聲子的效果。

“同樣的原理適用于所有具有三重對稱性和反演不對稱性的二維周期結構”朱說。“同樣的原理涵蓋了一大批天然材料，并且在分子尺度上創造轉子幾乎是無限可能的。”