Хиральные фононы в кварце, исследованные X

Природа (2023)Цитировать эту статью

2090 Доступов

40 Альтметрика

Подробности о метриках

Концепция киральности имеет большое значение в природе: от хиральных молекул, таких как сахар, до преобразований четности в физике элементарных частиц. В физике конденсированного состояния недавние исследования продемонстрировали киральные фермионы и их значимость в возникающих явлениях, тесно связанных с топологией1,2,3. Однако экспериментальная проверка существования киральных фононов (бозонов) остается сложной задачей, несмотря на их ожидаемое сильное влияние на фундаментальные физические свойства4,5,6. Здесь мы показываем экспериментальное доказательство существования киральных фононов с использованием резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей с рентгеновскими лучами с круговой поляризацией. Используя прототип кирального материала кварц, мы демонстрируем, что рентгеновские лучи с круговой поляризацией, которые по своей сути являются киральными, соединяются с киральными фононами в определенных положениях в обратном пространстве, что позволяет нам определить киральную дисперсию мод решетки. Наше экспериментальное доказательство существования киральных фононов демонстрирует новую степень свободы в конденсированном веществе, которая имеет фундаментальное значение и открывает двери для исследования новых возникающих явлений, основанных на киральных бозонах.

Квазичастицы в твердых телах фундаментально определяют многие физические свойства, и их симметрия имеет центральное значение. Особый интерес представляют киральные квазичастицы. Например, киральные фермионы возникают в вырожденных узлах в полуметаллах Вейля1 и киральных кристаллах2,3. Их киральный характер напрямую проявляется в киральной аномалии7 и приводит к расширению топологических свойств, включая селективное фотовозбуждение циркулярно поляризованным светом8, киральный фототок9 и транспорт7. Присутствие киральных бозонов, таких как фононы4,5,6,10,11,12,13,14,15,16,17 и магноны6,18,19,20, также широко обсуждается.

Хиральные фононы — это колебательные моды твердых тел, в которых атомы совершают вращательное движение, перпендикулярное их распространению, с соответствующей круговой поляризацией и угловым моментом. Благодаря своему угловому моменту киральные фононы могут нести орбитальные магнитные моменты, обеспечивая фономагнитный эффект, аналогичный оптомагнитному эффекту от других спиральных вращений атомов21,22. Соответственно, фононы могут создавать эффективное магнитное поле, которое было использовано для объяснения наблюдения возбужденных магнонов23 и делает возможным их возбуждение посредством сверхбыстрой передачи углового момента от спиновой системы24. Если до сих пор фононное магнитное поле обсуждалось преимущественно в точке Γ, то киральные фононы естественным образом возникают в нецентросимметричных материалах вдали от центра зоны и основаны на принципиально иной симметрии.

Экспериментальное наблюдение киральности фононов оказалось сложной задачей. Если вращение атомов ограничено плоскостью, содержащей направление распространения фононов (круговые фононы), мода не может иметь киральный характер (дополнительная информация учитывает соображения симметрии), как это происходит для нераспространяющихся фононов в Γ и других точках высокой симметрии. Таким образом, результаты, основанные на методах оптического зондирования, таких как хироптическая спектроскопия16 и комбинационное рассеяние света с круговой поляризацией17, недостаточны для идентификации присутствия киральных фононов из-за большой длины волны оптических фотонов, что ограничивает исследование очень близко к точке Γ. Первое заявление о наблюдении кирального фонона было сделано в точках высокой симметрии монослоя дихалькогенида переходного металла5, хотя утверждалось, что оно несовместимо с аргументами симметрии6. Таким образом, настоятельно требуется создание экспериментального метода, который непосредственно проверяет киральный характер фононов.

В этой работе мы демонстрируем киральные фононы в киральном материале в точках общего импульса в зоне Бриллюэна. Мы исследуем киральность фононов с помощью резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей (RIXS) с рентгеновскими лучами с круговой поляризацией. Наша стратегия основана на том факте, что рентгеновские лучи с круговой поляризацией являются киральными, и вдохновлена ​​использованием резонансного упругого рассеяния рентгеновских лучей для исследования киральности статической решетки с помощью рентгеновских лучей с круговой поляризацией на запрещенных отражениях по винтовой оси25. Используя RIXS, киральные фотоны с круговой поляризацией могут соединяться с динамическими киральными фононными модами путем передачи углового момента, и этот процесс может происходить в точках общего импульса в обратном пространстве. Наш теоретический анализ показывает, что наблюдаемый круговой дихроизм в RIXS вызван орбиталями резонансных атомов, которые выстраиваются хиральным образом, определяемым хиральной кристаллической структурой; мы вычисляем угловой момент фононов в соответствующей точке Q, используя теорию функционала плотности (DFT).