Forskare har upptäckt den rullande rörelsen för en nanoakustisk våg som förutspåddes av den berömda fysikern och nobelpristagaren Lord Rayleigh 1885. Detta fenomen kan hitta tillämpningar i akustisk kvantteknik eller i så kallade "fononiska" komponenter, som används för att kontrollera utbredningen av akustiska vågor.

Studien, publicerad i tidningen Vetenskapliga framsteg , genomfördes av forskare från Purdue University, universitetet i Augsburg, universitetet i Münster och universitetet i Alberta.

Teamet använde en nanotråd inuti vilken elektroner tvingas in på cirkulära banor av den akustiska vågens snurr. Akustiska vågor är otroligt mångsidiga i modern nanofysik, eftersom de kan påverka både elektroniska och fotoniska system. Till exempel, minut mikro-akustiska chips i datorer, smartphones eller surfplattor säkerställer att de mottagna trådlösa signalerna behandlas elektroniskt. Dock, trots omfattande användning av nanoakustiska vågor, den grundläggande egenskapen för spin av den nanoakustiska vågen hade inte upptäckts förrän i denna studie.

"Sedan Lord Rayleighs banbrytande arbete, det har varit känt att det finns akustiska vågor som sprider sig på ytan av fasta ämnen och som visar en mycket karakteristisk elliptisk rullande rörelse, "sa Hubert Krenner, professor i fysik, som ledde studien vid universitetet i Augsburg och nyligen flyttade till universitetet i Münster. "När det gäller nanoakustiska vågor, vi har nu lyckats observera detta tvärgående snurr direkt, vilket är vad vi fysiker kallar denna rörelse. "

I deras studie, forskarna använde en extremt fin nanotråd som placerades på ett så kallat piezoelektriskt material, litiumniobat. Detta material deformeras när det utsätts för en elektrisk ström, och, med hjälp av små metallelektroder, en akustisk våg kan genereras på materialet.

På ytan av materialet, den akustiska vågen genererar ett elliptiskt roterande (gyrating) elektriskt fält. Detta, i tur och ordning, tvingar elektronerna i nanotråden på cirkulära banor.

"Hittills visste vi om detta fenomen för ljus, "sade Zubin Jacob, Purdues Elmore docent i el- och datateknik. "Nu har vi lyckats visa att detta är en universell effekt, som också förekommer i andra typer av vågor såsom ljudvågor på en tekniskt viktig plattform, litiumniobat. "

Forskningsresultaten som presenteras är en milstolpe:Den tvärgående snurren, observerade för första gången, kan användas specifikt för att styra nanosystem eller överföra information.

"Vi observerade elektronernas rörelse i nanotrådarna, som gjordes vid tekniska universitetet i München, genom ljuset från elektronerna, "sa Maximilian Sonner, en doktorsexamen student vid Institute of Physics vid University of Augsburg.

Sonners kollega, Lisa Janker, Lagt till, "Vi använder ett extremt snabbt stroboskop här, vilket gör att vi praktiskt taget kan observera denna rörelse i realtid - även vid högre frekvenser upp till gigahertz -intervallet. "

Farhad Khosravi, som nyligen avslutade sin doktorsexamen i Jacobs forskargrupp, hade överfört sina beräkningar för ljus direkt till Rayleighs akustiska våg. "Det har länge varit känt att ljusvågor och ljudvågor har liknande egenskaper. matchningens omfattning för deras spinnegenskaper är verkligen fenomenal, "Sa Khosravi.

Forskarna är övertygade om att den universella principen för spin-fysik som ligger bakom detta fenomen kommer att leda till viktiga tekniska framsteg. Teamet arbetar nu med att koppla den tvärgående snurrningen av akustiska vågor till snurrningen av andra vågor.

"Vad vi behöver göra härnäst är att använda denna transversala akustiska snurr specifikt för att manipulera optiska kvantsystem eller ljusets snurr, till exempel, "Sa Jacob.