Xによって探査された石英中のキラルフォノン

Nature volume 618、pages 946–950 (2023)この記事を引用

11,000 アクセス

64 オルトメトリック

メトリクスの詳細

キラリティーの概念は、糖などのキラル分子から素粒子物理学のパリティ変換に至るまで、自然界に非常に関連しています。 物性物理学では、最近の研究でキラルフェルミオンと、トポロジーに密接に関連する創発現象におけるそれらの関連性が実証されています1、2、3。 しかし、キラルフォノン (ボーソン) は基本的な物理的特性に強い影響を与えることが予想されるにもかかわらず、実験的検証は依然として困難です4,5,6。 今回我々は、円偏光X線による共鳴非弾性X線散乱を用いたキラルフォノンの実験的証明を示す。 私たちは、典型的なキラル材料である石英を使用して、本質的にキラルである円偏光 X 線が逆空間内の特定の位置でキラル フォノンと結合し、格子モードのキラル分散を決定できることを実証しました。 我々のキラルフォノンの実験的証明は、凝縮物質における新たな自由度を実証するものであり、これは基本的に重要であると同時に、キラル粒子に基づく新たな創発現象の探索への扉を開くものである。

固体中の準粒子は基本的に多くの物理的特性を支配しており、その対称性が最も重要です。 キラル準粒子は特に興味深いものです。 たとえば、キラル フェルミオンはワイル半金属 1 やキラル結晶 2、3 の縮退ノードで出現します。 それらのキラル特性はキラル異常 7 によって直接現れ、円偏光による選択的光励起 8、キラル光電流 9、輸送 7 などの豊富なトポロジカル特性をもたらします。 フォノン 4、5、6、10、11、12、13、14、15、16、17 やマグノン 6、18、19、20 などのキラル粒子の存在も広く議論されています。

キラルフォノンは、原子が関連する円偏光と角運動量を伴って伝播に対して垂直な回転運動をする固体の振動モードです。 角運動量の結果として、キラルフォノンは軌道磁気モーメントを運ぶことができ、他のらせん原子回転による光磁気効果に似た音磁気効果を可能にします 21,22。 同様に、フォノンは有効磁場を生成することができ、これは励起されたマグノンの観察を説明するために呼び出されたものであり 23、スピン系からの超高速角運動量伝達による励起を可能にします 24。 これまでフォノニック磁場は主にΓ点で議論されてきましたが、キラルフォノンはゾーン中心から離れた非中心対称材料で自然に発生し、根本的に異なる対称性に基づいています。

フォノンキラリティーの実験的観察は困難であることが判明しています。 原子の回転がフォノンの伝播方向（円形フォノン）を含む平面内に限定されている場合、そのモードは、Γ および他の高対称点の非伝播フォノンで発生するようなキラルな特性を持つことができません（補足情報には対称性の考慮事項があります）。 したがって、カイロプティカル分光法16や円偏光ラマン散乱17などの光プローブ技術に基づく結果は、光子の波長が長いためキラルフォノンの存在を特定するには不十分であり、Γ点に非常に近い探査が制限されます。 キラルフォノンが観察されたという最初の主張は、単層遷移金属ダイカルコゲナイドの高対称点でなされました 5 が、対称性の議論と矛盾すると主張されています 6。 したがって、フォノンのカイラル特性を直接検証する実験法の確立が強く求められている。

この研究では、ブリルアン ゾーンの一般的な運動量点におけるキラル材料内のキラル フォノンを実証します。 私たちは、円偏光 X 線を用いた共鳴非弾性 X 線散乱 (RIXS) を使用して、フォノンのキラリティーを調査します。 私たちの戦略は、円偏光 X 線がキラルであるという事実に基づいており、共鳴弾性 X 線散乱を利用して、ねじ軸禁止反射での円偏光 X 線を使用して静的格子のキラリティーを調査することに触発されています 25。 RIXS を使用すると、円偏光したキラル光子は角運動量を伝達することで動的キラル フォノン モードに結合でき、そのプロセスは逆空間内の一般的な運動量点で発生します。 私たちの理論的分析は、RIXS で観察された円二色性が、キラルな結晶構造によって決定されるキラルな方法で整列する共鳴原子の軌道によって引き起こされることを示しています。 密度汎関数理論 (DFT) を使用して、対応する Q 点におけるフォノンの角運動量を計算します。