Magnetism ger fononer en twist

I de flesta läroböcker visas gittervibrationer i kristaller – benämnda fononer – som atomer som rör sig fram och tillbaka längs raka linjer. I en ny studie avslöjar Markus Weißenhofer och hans kollegor att det kan uppkomma en överraskande vändning: i magnetiska material vibrerar atomer inte endast – ibland roterar de också omkring sina jämviktspositioner. Dessa virvlande vibrationer bär med sig rörelsemängdsmoment och är allmänt kända som kirala fononer.

Höger- och vänsterhänta gittervibrationer har förutsagts tidigare och observerats i icke-magnetiska lågsymmetrikristaller i vilka frånvaron av inversionssymmetri är väsentlig för deras uppkomst. Weißenhofer och hans kollegors arbete avslöjar nu att kirala fononer också kan uppkomma i fullständigt symmetriska magnetiska kristaller. Nyckeln till deras uppkomst är hybridiseringen mellan de kvantiserade spinnvågorna – benämnda magnoner – hos det magnetiska materialet och gittervibrationerna.

Med hjälp av ett nytt, första principbaserat ramverk, visar Weißenhofer et al att magnoner kopplar selektivt till fononer med en specifik kiralitet, eller hänthet, medan de i stort sett ignorerar dem med den motsatta kiraliteten, varigenom de kopplade fonontillstånden förses med rörelsemängdsmoment. Denna selektiva koppling tillåter ytterligare fonontillståndens kiralitet att bli samstämda eller till och med omvända genom att ändra materialets magnetiseringsriktning, till exempel med hjälp av ett externt magnetfält. Den nyupptäckta mekanismen är allmän och förväntas uppkomma i flera magnetiska material.

Kirala fononer har nyligen hamnat i fokus genom deras möjliga tillämpning i nästa generationens spinntronik- och fononikteknologier. Genom att avslöja en ny och troligen utbredd mekanism för deras uppkomst i magnetiska material breddar denna forskning utbudet av kandidatmaterial stort och öppnar för spännande möjligheter att utnyttja kirala vibrationer i magnetiska material till nya tillämpningar inom energi och informationsbehandling.