Фононами обычно называют коллективные линейные колебания атомов кристаллической решётки, однако в эксперименте сотрудников Берклиевской Национальной Лаборатории (Berkeley Lab) был открыт новый тип, так называемых хиральных фононов с атомами, двигающими по круговым траекториям в двумерной решётке диселенида вольфрама (WSe₂).

По мнению ведущего автора данного исследования, Ханью Чжу (Hanyu Zhu), главной особенностью и преимуществом хиральных фотонов является связанность вращения с импульсом частицы и, как следствие, повышенная устойчивость к внешним возмущениям. Управление направлением вращения (хиральностью) обеспечит стабильный механизм передачи и хранения информации.

В эксперименте, о котором сообщается в номере журнала Science от 1 февраля, атомы селена коллективно вращались по часовой стрелке, тогда как атомы вольфрама оставались неподвижны. Демонстрационный образец состоял из четырёх монослоёв диселенида вольфрама, разделённых тонкими кристаллами сапфира. Фононы возбуждались импульсами двух лазеров сфокусированных на участке образца диаметром в 70 мкм. Спустя одну триллионую долю секунды за красным импульсом накачки следовал инфракрасный зондирующий импульс, причём ИК-лазер переключался между двумя режимами для того, чтобы дифференцировать фононы с разной хиральностью.

Примерно один ИК-фотон на каждые 100 млн поглощался WSe₂ и преобразовывался в хиральный фонон. Это редкое событие сопровождалось люминесценцией, позволяющей его регистрировать. Этот метод, известный как нестационарная (transient) ИК-спектроскопия, также использовался для измерения частоты вращения фонона.

В дальнейшем авторы надеются, что им удастся увеличит долю генерируемых хиральных фононов. Кроме того, им предстоит узнать можно ли использовать вращающиеся атомы как магниты для управления ориентацией спина электронов.

«Фононный контроль электронов и спина для аппаратных приложений вполне осуществим и открывает захватывающие перспективы», — пишет Чжу.