Commutazione elettrica dei fononi chirali

Gli atomi in un materiale raramente rimangono immobili. Oscillano all’unisono sotto forma di vibrazioni reticolari, i cosiddetti fononi. Questo movimento può avere anche una componente rotazionale: nel 2023 gli scienziati del PSI hanno dimostrato sperimentalmente l’esistenza dei fononi chirali. Questi presentano una determinata chiralità a seconda del senso di rotazione.

Ora lo stesso team di ricercatori ha dimostrato che un campo elettrico applicato può controllare la chiralità di questi fononi. 

Rendere commutabile la chiralità

La scoperta iniziale era stata effettuata dai ricercatori sul quarzo; per lo studio attuale hanno realizzato un minuscolo componente in titanato di bario (BaTiO₃). Questo materiale è ferroelettrico, ovvero presenta una polarizzazione elettrica che può essere invertita da un campo elettrico. I partner di collaborazione a Taiwan hanno realizzato membrane di titanato di bario dello spessore di soli 40 nanometri e vi hanno applicato mini-elettrodi per creare un minuscolo componente montato su un supporto in silicio.

I ricercatori hanno invertito più volte la polarizzazione elettrica, studiando come cambiasse la chiralità delle oscillazioni atomiche nel materiale. Hanno scoperto che la chiralità dei fononi si invertiva quando si invertiva la polarizzazione elettrica. 

Sorprendentemente, hanno constatato che questo stato invertito persiste anche dopo la scomparsa del campo elettrico. Il campo elettrico offre quindi un modo affidabile per controllare la chiralità dei fononi. L’inversione è avvenuta a temperatura ambiente e con una tensione di soli 3 volt – due fattori che potrebbero favorire una futura integrazione nei dispositivi. 

Osservare l’inversione della chiralità

Il team è riuscito a determinare la chiralità dei fononi utilizzando raggi X a polarizzazione circolare presso l’European Synchrotron Radiation Facility ESRF di Grenoble. A tal fine, i ricercatori hanno impiegato una tecnica nota come diffusione inelastica risonante dei raggi X (RIXS). Grazie a questa tecnica, hanno potuto determinare la chiralità dei fononi studiando come viene trasferito il momento angolare tra i raggi X a polarizzazione circolare e il reticolo cristallino. 

«Ormai sappiamo che il momento angolare dei fononi può essere controllato tramite l’elettricità. Ciò apre la strada alla tecnologia dell’informazione basata sui fononi», spiega il primo autore Michael Grimes del Centro di ricerca sui fotoni del PSI.

Dalle questioni fondamentali della natura ai dispositivi del futuro

Poiché il movimento dei fononi chirali presenta una componente rotazionale, essi possiedono un momento angolare. Anche il magnetismo è strettamente legato al momento angolare, precisamente attraverso lo spin e il moto orbitale degli elettroni. 

Pertanto, i fononi chirali possono potenzialmente interagire con gli stati elettronici e magnetici e influenzarli. «La possibilità di controllare la chiralità dei fononi potrebbe, in linea di principio, costituire uno strumento per manipolare gli stati magnetici e, di conseguenza, le informazioni in essi codificate», spiega Urs Staub, fisico presso il Centro di ricerca sui fotoni del PSI e responsabile dello studio.

Oltre alle implicazioni pratiche, l’argomento fa parte di una riflessione più ampia sulle origini della chiralità nella vita.

«I fononi chirali sono affascinanti perché toccano una questione fondamentale della natura di cui finora si sa molto poco: perché esiste la chiralità?», aggiunge Staub. «In biologia esiste l’asimmetria – ma il perché rimane un mistero. Se il magnetismo abbia un ruolo in questo – o ne abbia avuto uno – è oggetto di accese discussioni. I fononi chirali creano un collegamento tra il movimento degli atomi e il magnetismo.»