Хиральность фононов в киновари оказалась истинной

Японские физики исследовали способность к переносу углового и псевдоуглового моментов хиральными фононами в монокристалле тригональной модификации сульфида ртути α-HgS (киновари) с правой закруткой. Они выяснили, что направление закрутки кристалла можно определить по взаимному знаку этих двух величин. Кроме того, физики доказали, что хиральность таких фононов истинна. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Колебания атомов в кристаллах вокруг своих положений равновесия неизбежным образом распространяются. Физики описывают такое распространение с помощью квазичастиц — фононов. Свойства фононов по большей части зависят от того, как колеблются атомы на их пути. Этот процесс определяет поляризацию фононов и количество переносимого ими углового момента. При этом, если кристалл организован так, что разные колебания протекают при различных условиях, это скажется на связи энергии фонона с его импульсом.

Довольно интересным примером этого принципа стали хиральные фононы. Колебания при движении таких квазичастиц передаются не линейно, а по спирали вокруг некоторой оси. В случае, если передача по правой и левой закрутке отличается, говорят о возникновении хиральности, то есть нарушении симметрии между правым и левым. Хиральные фононы увидели сравнительно недавно в двумерных полупроводниках, также обладающих хиральностью. С тех пор этот феномен был довольно слабо исследован.

Японские физики под руководством Такуя Сато (Takuya Satoh) из Токийского технологического института сконцентрировались на переносе хиральным фононами углового и псевдоуглового момента. Они исследовали монокристалл тригональной модификации сульфида ртути α-HgS (киновари) с помощью комбинационного (рамановского) рассеяния света с круговой поляризацией и расчетами из первых принципов. Анализируя симметрию фононных мод, авторы пришли к выводу об истинной хиральности таких квазичастиц.

Любая волна, будь то электрон, фотон или фонон, распространяющаяся в периодической среде и соответствующая какой-то одной энергии, обладает специфическими свойствами симметрии. В частности, если сместить такую волну на один период, одна перейдет сама в себя, но приобретет дополнительный набег фазы. Количество этой фазы контролируется псевдоимпульсом частицы, который, как правило, ограничивают первой зоной Бриллюэна. Тот же принцип применяется к вращению волновой функции в средах, инвариантных к повороту на какие-либо углы, отличные от 360 градусов. В этом случае за дополнительную фазу отвечает псевдоугловой момент. Его положительные или отрицательные значения в случае фононов могут быть связаны с направлением круговых колебаний атомов в решетке, и, следовательно, с угловым моментом самого фонона.

Для исследования этой связи физики вырастили монокристалл киновари с правой закруткой. Атомы ртути и серы в нем переходят сами в себя при одновременной трансляции на один слой и повороте по часовой стрелке на 120 градусов. Фононы, двигающиеся вдоль оси симметрии, будут обладать тем или иным знаком углового или псевдоуглового момента (либо их нулевыми значениями) в зависимости от того, как колеблются атомы.

Чтобы возбудить эти моды, физики облучали кристалл лазерным светом круговой поляризации на длине волны 785 нанометров и измеряли стоксовские и антистоксовские компоненты рассеяния (то есть рассеянный свет с большей и меньшей длиной волны, соответственно), также разделяя их по поляризациям. Рамановский сигнал давало несколько фононных мод, однако положение пиков слегка зависело от направления поляризации падающего и рассеянного света. Это свидетельствовало о том, что энергии фононов, несущих различные угловые моменты, различаются, что говорит об их хиральности.

Авторы провели вычисления фононных дисперсионных соотношений и выяснили, что для фононов, двигающихся вдоль оси симметрии кристалла с правой закруткой знаки углового и псевдоуглового моментов совпадают. Значения рассчитанных энергий при этом оказались в хорошем согласии с рамановскими сдвигами. Примечательно, что в кристалле с левой закруткой знаки моментов были бы противоположными. Это привело бы к тому, что компоненты спектра, соответствующие противоположным поляризационным конфигурациям, поменялись бы местами. Авторы экспериментально убедились, что таким образом можно быстро определить закрутку неизвестного образца.

Наконец, анализируя свойства симметрии фононных мод, физики убедились в их истинной хиральности. Истинная хиральность наблюдается тогда, когда два хиральных объекта можно совместить исключительно с помощью операции отзеркаливания. Ложная хиральность же позволяет провести совмещение с помощью инверсии времени и, при необходимости, поворота (как, например, в эффекте Фарадея). Авторы надеются, что описанный ими эффект можно будет использовать для управления спинами электронов.

Ранее мы рассказывали, как химики из ИТМО обнаружили хиральность у квантовых точек.