Chirale Phononen elektrisch umschalten

Forschende am Paul Scherrer Institut PSI haben die Händigkeit von atomaren Schwingungen, sogenannten chiralen Phononen, durch ein elektrisches Feld umgekehrt. Chirale Phononen verbinden Magnetismus mit atomaren Bewegungen. Die Möglichkeit, diese zu steuern, eröffnet neue Perspektiven für die phononenbasierte Informationstechnologie.

Die Atome in einem Material stehen selten still. Sie wackeln gemeinsam in Form von Gitterschwingungen, den sogenannten Phononen, hin und her. Diese Bewegung kann auch eine Rotationskomponente haben: Im Jahr 2023 haben Wissenschaftler am PSI die Existenz chiraler Phononen experimentell nachgewiesen. Diese weisen je nach Drehrichtung eine bestimmte Händigkeit auf. Nun hat dasselbe Forscherteam gezeigt, dass ein angelegtes elektrisches Feld die Händigkeit dieser Phononen steuern kann.

Experimenteller Aufbau und Schaltung der Chiralität

Ihre ursprüngliche Entdeckung hatten die Forschenden an Quarz gemacht; für die aktuelle Studie stellten sie nun ein winziges Bauelement aus Bariumtitanat (BaTiO3) her. Dieses Material ist ferroelektrisch, das heisst, es weist eine elektrische Polarisation auf, die durch ein elektrisches Feld umgekehrt werden kann. Kooperationspartner in Taiwan stellten Membranen aus Bariumtitanat mit einer Stärke von nur 40 Nanometern her und brachten Mini-Elektroden daran an, um ein winziges Bauelement zu schaffen, das auf einen Siliziumträger montiert wurde.

Die Forschenden schalteten die elektrische Polarisation hin und her und untersuchten, wie sich die Chiralität der atomaren Schwingungen im Material dabei veränderte. Sie entdeckten, dass sich die Chiralität der Phononen umkehrte, wenn sich die elektrische Polarisation umkehrt. Verblüffenderweise stellten sie fest, dass dieser umgeschaltete Zustand auch nach dem Wegfall des elektrischen Feldes fortbesteht. Damit bietet das elektrische Feld eine zuverlässige Möglichkeit, die Chiralität der Phononen zu steuern. Die Umschaltung erfolgte bei Raumtemperatur und mit einer Spannung von nur 3 Volt – zwei Faktoren, die eine künftige Integration in Geräte begünstigen könnten.

Spektroskopischer Nachweis via RIXS

Dem Team gelang es, die Händigkeit chiraler Phononen mithilfe zirkular polarisierter Röntgenstrahlen an der European Synchrotron Radiation Facility ESRF in Grenoble zu bestimmen. Hierzu setzten die Forschenden eine als resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) bekannte Technik ein. Mithilfe dieser Technik konnten sie die Chiralität der Phononen bestimmen, indem sie untersuchten, wie der Drehimpuls zwischen den zirkular polarisierten Röntgenstrahlen und dem Gitter übertragen wird. „Wir wissen inzwischen, dass sich der Drehimpuls von Phononen mithilfe von Elektrizität steuern lässt. Damit ist der Weg für die phononenbasierte Informationstechnologie geebnet“, erklärt Michael Grimes.

Kopplung an magnetische Zustände und fundamentale Aspekte

Da die Bewegung der chiralen Phononen eine Rotationskomponente hat, besitzen sie einen Drehimpuls. Auch der Magnetismus ist eng mit dem Drehimpuls verbunden, und zwar über den Spin und die Bahnbewegung der Elektronen. Daher können chirale Phononen potenziell mit elektronischen und magnetischen Zuständen in Wechselwirkung treten und diese beeinflussen. „Die Möglichkeit, die Chiralität der Phononen zu steuern, könnte im Prinzip ein Mittel sein, um magnetische Zustände und damit die darin codierten Informationen zu manipulieren“, erklärt Urs Staub.

Neben den praktischen Auswirkungen ist das Thema Teil einer umfassenderen Fragestellung nach den Ursprüngen der Chiralität im Leben. „Chirale Phononen sind faszinierend, weil sie eine grundlegende Frage der Natur berühren, über die bisher nur sehr wenig bekannt ist: Warum gibt es überhaupt Händigkeit?“, fügt Staub hinzu. „In der Biologie gibt es eine Händigkeit – aber warum bleibt ein Rätsel. Ob der Magnetismus dabei eine Rolle spielt – oder gespielt hat –, wird heiss diskutiert. Chirale Phononen stellen eine Verbindung zwischen der Bewegung von Atomen und dem Magnetismus her.“

Quelle

Paul Scherrer Institut PSI (09/2026)