來自能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)了第一個證據(jù)，即原子級薄(2-D)材料結(jié)構(gòu)中的搖動運動具有自然發(fā)生的圓形旋轉(zhuǎn)

這種旋轉(zhuǎn)可以成為新形式的信息技術(shù)的基石，也可以成為驅(qū)動微觀電機和機器的分子級轉(zhuǎn)子的設計。

單層材料，二硒化鎢(WSe 2)，因其不尋常的維持特殊電子特性的能力而聞名，而這些電子特性在其他材料中更為短暫。

它被認為是一種廣受歡迎的數(shù)據(jù)存儲形式的候選者，例如谷電子學，例如，材料中電子的動量和波動運動可以被分類到材料電子結(jié)構(gòu)中相對的“谷”中，每個這些谷代表傳統(tǒng)二進制數(shù)據(jù)中的1和0。

現(xiàn)代電子設備通常依賴于電子電荷的操縱來攜帶和存儲信息，但是隨著電子設備越來越小型化，它們更容易受到與熱量積聚和漏電相關(guān)的問題的影響。

這項最新研究于2月1日在線發(fā)表在“ 科學 ”雜志上，提供了克服這些問題的可能途徑。據(jù)報道，一些材料的聲子，一個描述原子晶體中集體振動的術(shù)語，在某個方向上自然旋轉(zhuǎn)。

這個屬性被稱為手性 - 類似于一個人的左右手，其中左手和右手是彼此的鏡像但不相同?？刂圃撔D(zhuǎn)的方向?qū)⑻峁y帶和存儲信息的穩(wěn)定機制。

“固體中的聲子通常被認為是原子的集體線性運動，”該研究的通訊作者，勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學部高級科學家兼加州大學伯克利分校教授張翔說。“我們的實驗發(fā)現(xiàn)了一種新型的所謂手性聲子，其原子在鎢二硒化合物的原子單層晶體中以圓圈運動。”

該研究的第一作者，張氏研究組的博士后研究員朱漢宇說：“手性聲子的最大優(yōu)勢之一是旋轉(zhuǎn)被粒子的動量鎖定，不易受到干擾。”

在所研究的聲子模式中，硒原子似乎共同沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，而鎢原子沒有顯示出運動。研究人員準備了一個“三明治”，四片厘米大小的單層WSe 2 樣品放在薄的藍寶石晶體之間。他們同步超快激光來記錄與時間有關(guān)的運動。

兩個激光源會聚在樣品上的一個點上，直徑僅為百萬分之七十米。其中一個激光器在兩種不同的調(diào)諧模式之間精確切換，以感知左右手性聲子活動的差異。

所謂的泵浦激光產(chǎn)生可見的紅光脈沖，激發(fā)樣品，探測激光產(chǎn)生中紅外脈沖，在第一萬億分之一秒內(nèi)跟隨第一個泵浦脈沖。每1億個中約有一個中紅外光子被WSe 2吸收并轉(zhuǎn)換成手性聲子。

然后研究人員從樣本中捕獲了高能發(fā)光，這是這種罕見吸收事件的標志。通過這種被稱為瞬態(tài)紅外光譜的技術(shù)，研究人員不僅證實了手性聲子的存在，而且還準確地獲得了它的旋轉(zhuǎn)頻率。

到目前為止，該過程僅產(chǎn)生少量手性聲子。研究的下一步將是產(chǎn)生更多數(shù)量的旋轉(zhuǎn)聲子，并了解晶體中的劇烈攪動是否可用于翻轉(zhuǎn)電子自旋或顯著改變材料的谷特性。旋轉(zhuǎn)是電子的固有屬性，可以被認為是它的羅盤針 - 如果它可以被翻轉(zhuǎn)到指向北方或南方，它可以用于以稱為自旋電子學的新形式的電子學傳遞信息。

“用于設備應用的潛在的基于聲子的電子和自旋控制非常令人興奮并且觸手可及，”朱說。“我們已經(jīng)證明了聲子能夠切換電子谷。此外，這項工作允許使用旋轉(zhuǎn)原子作為小磁鐵來引導旋轉(zhuǎn)方向。“

研究中發(fā)現(xiàn)的手性特性可能存在于各種二維材料中，基于其原子結(jié)構(gòu)中的類似圖案，朱還指出，該研究可以指導電子 - 聲子相互作用的理論研究和材料設計。增強基于聲子的效果。

“同樣的原理適用于所有具有三重對稱性和反演不對稱性的二維周期結(jié)構(gòu)”朱說。“同樣的原理涵蓋了一大批天然材料，并且在分子尺度上創(chuàng)造轉(zhuǎn)子幾乎是無限可能的。”