科学家发现手性声子-二维半导体晶体中的原子旋转

来自能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的一个研究小组发现了第一个证据，即原子级薄(2-D)材料结构中的摇动运动具有自然发生的圆形旋转

这种旋转可以成为新形式的信息技术的基石，也可以成为驱动微观电机和机器的分子级转子的设计。

单层材料，二硒化钨(WSe 2)，因其不寻常的维持特殊电子特性的能力而闻名，而这些电子特性在其他材料中更为短暂。

它被认为是一种广受欢迎的数据存储形式的候选者，例如谷电子学，例如，材料中电子的动量和波动运动可以被分类到材料电子结构中相对的“谷”中，每个这些谷代表传统二进制数据中的1和0。

现代电子设备通常依赖于电子电荷的操纵来携带和存储信息，但是随着电子设备越来越小型化，它们更容易受到与热量积聚和漏电相关的问题的影响。

这项最新研究于2月1日在线发表在“ 科学 ”杂志上，提供了克服这些问题的可能途径。据报道，一些材料的声子，一个描述原子晶体中集体振动的术语，在某个方向上自然旋转。

这个属性被称为手性 - 类似于一个人的左右手，其中左手和右手是彼此的镜像但不相同。控制该旋转的方向将提供携带和存储信息的稳定机制。

“固体中的声子通常被认为是原子的集体线性运动，”该研究的通讯作者，劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部高级科学家兼加州大学伯克利分校教授张翔说。“我们的实验发现了一种新型的所谓手性声子，其原子在钨二硒化合物的原子单层晶体中以圆圈运动。”

该研究的第一作者，张氏研究组的博士后研究员朱汉宇说：“手性声子的最大优势之一是旋转被粒子的动量锁定，不易受到干扰。”

在所研究的声子模式中，硒原子似乎共同沿顺时针方向旋转，而钨原子没有显示出运动。研究人员准备了一个“三明治”，四片厘米大小的单层WSe 2 样品放在薄的蓝宝石晶体之间。他们同步超快激光来记录与时间有关的运动。

两个激光源会聚在样品上的一个点上，直径仅为百万分之七十米。其中一个激光器在两种不同的调谐模式之间精确切换，以感知左右手性声子活动的差异。

所谓的泵浦激光产生可见的红光脉冲，激发样品，探测激光产生中红外脉冲，在第一万亿分之一秒内跟随第一个泵浦脉冲。每1亿个中约有一个中红外光子被WSe 2吸收并转换成手性声子。

然后研究人员从样本中捕获了高能发光，这是这种罕见吸收事件的标志。通过这种被称为瞬态红外光谱的技术，研究人员不仅证实了手性声子的存在，而且还准确地获得了它的旋转频率。

到目前为止，该过程仅产生少量手性声子。研究的下一步将是产生更多数量的旋转声子，并了解晶体中的剧烈搅动是否可用于翻转电子自旋或显着改变材料的谷特性。旋转是电子的固有属性，可以被认为是它的罗盘针 - 如果它可以被翻转到指向北方或南方，它可以用于以称为自旋电子学的新形式的电子学传递信息。

“用于设备应用的潜在的基于声子的电子和自旋控制非常令人兴奋并且触手可及，”朱说。“我们已经证明了声子能够切换电子谷。此外，这项工作允许使用旋转原子作为小磁铁来引导旋转方向。“

研究中发现的手性特性可能存在于各种二维材料中，基于其原子结构中的类似图案，朱还指出，该研究可以指导电子 - 声子相互作用的理论研究和材料设计。增强基于声子的效果。

“同样的原理适用于所有具有三重对称性和反演不对称性的二维周期结构”朱说。“同样的原理涵盖了一大批天然材料，并且在分子尺度上创造转子几乎是无限可能的。”