Ett forskargrupp från Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har hittat det första beviset på att en skakande rörelse i strukturen hos ett atomiskt tunt (2-D) material har en naturligt förekommande cirkulär rotation.

Denna rotation kan bli byggstenen för en ny form av informationsteknik, och för konstruktion av molekylskala rotorer för att driva mikroskopiska motorer och maskiner.

Enskiktsmaterialet, volfram diselenid (WSe ₂ ), är redan känd för sin ovanliga förmåga att upprätthålla speciella elektroniska egenskaper som är mycket mer flyktiga i andra material.

Det anses vara en lovande kandidat för en eftertraktad form av datalagring som kallas valleytronics, till exempel, där momentum och vågliknande rörelse av elektroner i ett material kan sorteras i motsatta "dalar" i ett materials elektroniska struktur, var och en av dessa dalar representerar enorna och nollorna i konventionell binär data.

Modern elektronik förlitar sig vanligtvis på manipulationer av laddningen av elektroner för att bära och lagra information, även om elektroniken alltmer miniatyriseras är den mer utsatt för problem i samband med värmeuppbyggnad och elektriska läckor.

Den senaste studien, publicerad online i veckan i tidningen Vetenskap , ger en möjlig väg för att övervinna dessa frågor. Det rapporterar att några av materialets fononer, en term som beskriver kollektiva vibrationer i atomkristaller, roterar naturligt i en viss riktning.

Den här egenskapen är känd som kiralitet - liknande en persons handness där vänster och höger hand är en spegelbild av varandra men inte identiska. Att styra riktningen för denna rotation skulle ge en stabil mekanism för att bära och lagra information.

"Fononer i fasta ämnen brukar betraktas som atomernas kollektiva linjära rörelse, "sa Xiang Zhang, motsvarande författare till studien och seniorforskare vid Materials Science Division vid Lawrence Berkeley National Laboratory och professor vid UC Berkeley. "Vårt experiment upptäckte en ny typ av så kallade kirala fononer där atomer rör sig i cirklar i en atomär monoskiktskristall av volframdiselenid."

Hanyu Zhu, huvudförfattaren till studien och en postdoktor vid Zhangs grupp, sa, "En av de största fördelarna med kiral fonon är att rotationen är låst med partikelns momentum och inte lätt störd."

I det fononläge som studerades, selenatomerna verkar kollektivt rotera medurs, medan volframatomerna inte visade någon rörelse. Forskare förberedde en "smörgås" med fyra ark av centimeters stora WSe2-prov av ett centimeter placerade mellan tunna safirkristaller. De synkroniserade ultrasnabba lasrar för att spela in de tidsberoende rörelserna.

De två laserkällorna konvergerade på en plats på proverna som mätte bara 70 miljoner av en meter i diameter. En av lasrarna växlades exakt mellan två olika inställningslägen för att känna skillnaden mellan vänster och höger kiral fononaktivitet.

En så kallad pumplaser producerad synlig, röda ljuspulser som upphetsade proverna, och en sondlaser producerade mellersta infraröda pulser som följde den första pumppulsen inom en biljondel av en sekund. Ungefär en mitten-infraröd foton i varje 100 miljoner absorberas av WSe2 och omvandlas till en kiral fonon.

Forskarna fångade sedan högenergiluminescensen från provet, en signatur av denna sällsynta absorptionshändelse. Genom denna teknik, känd som övergående infraröd spektroskopi, forskare bekräftade inte bara förekomsten av en kiral fonon utan fick också exakt dess rotationsfrekvens.

Än så länge, processen producerar bara ett litet antal kirala fononer. Ett nästa steg i forskningen blir att generera ett större antal roterande fononer, och för att lära sig om kraftiga omrörningar i kristallen kan användas för att vända elektronernas snurr eller för att väsentligt förändra materialets dalegenskaper. Snurr är en elektronens inneboende egenskap som kan betraktas som dess kompassnål - om den kunde vändas åt norr eller söder kan den användas för att förmedla information i en ny form av elektronik som kallas spintronics.

"Den potentiella fononbaserade kontrollen av elektroner och snurr för apparapplikationer är mycket spännande och inom räckhåll, "Sade Zhu." Vi har redan bevisat att fononer kan byta den elektroniska dalen. Dessutom, detta arbete gör det möjligt att använda de roterande atomerna som små magneter för att styra rotationsorienteringen. "

De kirala egenskaperna som finns i studien finns sannolikt över ett brett spektrum av 2-D-material baserat på en liknande mönsterbildning i deras atomstruktur, Zhu noterade också, tillade att studien kunde vägleda teoretiska undersökningar av elektron-fonon-interaktioner och utformning av material för att förbättra fononbaserade effekter.

"Samma princip fungerar i alla 2-D periodiska strukturer med trefaldig symmetri och inversionsasymmetri" sade Zhu. "Samma princip täcker en enorm familj av naturmaterial, och det finns nästan oändliga möjligheter att skapa rotorer i molekylskala. "