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Jun 13, 2023

鏡、壁に鏡…もうそこにあることが分かりました

Immagine dell'Istituto Paul Scherrer: Per dimostrare l'esistenza dei fononi chirali,

ポール・シェラー研究所

画像: キラルフォノンの存在を証明するために、研究者らは共鳴非弾性 X 線散乱 (RIXS) を使用しました。 円偏光が石英を照らします。 光子の角運動量が結晶に伝達され、この場合、陰イオン (p 軌道を持つオレンジ色の球) が隣接する陽イオン (緑色の球) に対して回転します。もっと見る

クレジット: Paul Scherrer Institute / 上田広樹、Mahir Dzambegovic

Nature に掲載された研究結果により、フォノンはキラルになり得るという論争が解決されました。 この基本的な概念は、円形の X 線光を使用して発見され、石英の中をコルク栓抜きのようにねじれているフォノンを観察します。

自然界のいたるところで、あらゆる規模でキラリティー、つまり利き手の例を見つけることができます。 お互いのエナンチオマーではない、つまり重ね合わせられない鏡像である両手でサンドイッチを食べようとしているところを想像してみてください。 間違った薬物鏡像異性体の投与によって引き起こされる薬理学的災害、または原子未満のスケールでの素粒子物理学におけるパリティの概念の重要性について考えてみましょう。 現在、ポール・シェラー研究所 PSI の研究者らが主導した新しい研究のおかげで、フォノンもこの特性を持つ可能性があることがわかっています。

フォノンは、結晶格子内の原子の集合的な振動励起を記述する準粒子です。 それを原子のアイリッシュ・リバーダンスとして想像してください。 物理学者は、フォノンがキラリティを示すことができれば、材料の基本的な物理的特性に重要な影響を与える可能性があると予測しています。 近年、興味深い電子的および磁気的表面特性を示すトポロジカル材料の研究が急速に台頭しており、キラルフォノンへの関心が高まっています。 しかし、それらの存在を実験的に証明することは依然として困難です。

フォノンをキラルにするのは、そのダンスのステップです。 新しい研究では、原子の振動がねじりを踊り、コルク栓抜きのように前方に進みます。 このコルク栓抜きの動きは、この現象を発見しようとする意欲が高まった理由の 1 つです。 ソレノイドを形成するワイヤーのコイルのように、フォノンがこのように回転できれば、おそらく物質内に磁場を作り出すことができるでしょう。

問題に対する新たな視点

この可能性が、この研究を主導した PSI のウルス・ストウブのグループを動機付けました。 「超高速X線科学と材料研究の岐路に立っているからこそ、別の角度から問題にアプローチできるのです」と彼は言う。 研究者らは、キラル光（円偏光の光）を使用して材料のキラルモードを操作することに興味を持っています。

研究者たちが証拠を立てることができるほどの光を使用していました。 彼らは、ケイ素と酸素という原子がキラル構造を形成する最もよく知られた鉱物の一つである石英を用いて、円偏光がどのようにキラルフォノンと結合するかを示した。 これを行うために、彼らは英国のダイヤモンド光源で共鳴非弾性 X 線散乱 (RIXS) として知られる技術を使用しました。 これは、チューリッヒ工科大学（カール・ロマオ氏とニコラ・スパルディン氏）とドレスデンMPI（イェロエン・ファン・デン・ブリンク氏）のグループから、このプロセスがどのようにしてキラルフォノンを生成し、検出を可能にするかについての裏付けとなる理論的説明で補完された。

「科学では通常このようにはいきません！」

彼らの実験では、円偏光が石英を照らします。 光の光子は角運動量を持っており、それが原子格子に伝達され、コルク抜き運動に振動が生じます。 フォノンが回転する方向は、水晶結晶の固有のキラリティーによって決まります。 フォノンが回転すると、散乱光の形でエネルギーが放出され、それを検出できます。

ロータリーに立ってフリスビーを投げているところを想像してみてください。 ラウンドアバウトと同じ進行方向でフリスビーを投げると、ブンブンと飛ぶことが予想されます。 逆に投げると、ラウンドアバウトとフリスビーの角運動量が相殺されるため、回転が少なくなります。 同様に、円偏光が励起するフォノンと同じようにねじれると、信号が強化され、キラルフォノンが検出される可能性があります。

綿密に計画された実験、慎重な理論計算、そして奇妙なことが起こりました。ほぼすべてが計画通りに進みました。 彼らが結果を分析するとすぐに、光のキラリティーが反転したときの応答の違いは否定できませんでした。

「結果は、特に他の石英鏡像異性体との違いを比較したときに、ほとんど即座に説得力のあるものでした」と、PSI の科学者で出版物の筆頭著者である上田広樹氏は回想します。 データを分析するためにコンピューターの前に座っていた上田氏は、最初に結果を目にした人でした。「分析コードが正しいことを確認するために、常にチェックを続けました。」 ストウブ氏は「これは普通のことではない！科学では通常このようにはいかない！」と強調する。

美しくシンプル

キラルフォノンの探索中に、いくつかの誤報がありました。 これで議論は決着するでしょうか？ 「はい、私もそう思います。それがこの作品の美しさです」とストウブ氏は信じており、その意見はネイチャー誌の審査員たちも同じだった。 「それは単純で、美しく、単純だからです。それは明らかです。とても単純なので、これがカイラル運動であることは明らかです。」

文: ポール・シェラー研究所 / ミリアム・アレル

自然

10.1038/s41586-023-06016-5

実験研究

適用できない

X線で調べる石英中のキラルフォノン

2023 年 6 月 7 日

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