Учёные впервые наблюдали угловой момент фононов в хиральных кристаллах

Механическое вращение и крутящий момент, вызванные угловым моментом фононов. Автор: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02952-3

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, учёные впервые экспериментально наблюдали угловой момент фононов в хиральных кристаллах.

Фононы — это квантованные колебания кристаллической решётки, представляющие звук и тепло в кристаллах. Теоретически предсказывалось, что фононы могут обладать конечным угловым моментом с потенциально значительными макроскопическими последствиями.

Известный эффект Эйнштейна — де Хааза объясняет, как квантовомеханический спин связан с классическим угловым моментом при вращении ферромагнитного цилиндра в магнитном поле. Хотя этот эффект известен уже более века, его фононный аналог оставался чисто теоретическим до сих пор.

«В квантовых материалах коллективные возбуждения описываются как квазичастицы, переносящие и передающие квантовую информацию. Фононы — фундаментальные квазичастицы решётки — теоретически предсказывались как носители конечного углового момента».

Исследовательская группа под руководством Ху Миао, Хэды Чжан и Цзяцяна Яня из Национальной лаборатории Ок-Ридж, а также Ян Чжана из Университета Теннесси в Ноксвилле разработала новый экспериментальный подход на основе кантилеверной технологии для прямого измерения углового момента фононов.

Экспериментальная установка

Наблюдение углового момента фононов оказалось чрезвычайно сложной задачей, поскольку традиционные методы измерения несовместимы с требованиями фононных экспериментов.

Классические эксперименты Эйнштейна — де Хааза требуют свободно подвешенных образцов для наблюдения механического вращения. Однако исследования фононов требуют твёрдых тепловых контактов для создания необходимых температурных градиентов в криогенных средах при температурах ниже температуры Дебая материала — порога, ниже которого квантовые эффекты преобладают над тепловыми шумами.

Команда создала измерительную систему на основе кантилеверов, которая полностью обходит необходимость вращения. Вместо прямого измерения вращения их подход обнаруживает механический крутящий момент, генерируемый угловым моментом фононов с исключительной точностью.

Выбор теллура

Экспериментальная конструкция сосредоточена на сверхчувствительных микро-кантилеверах, оснащённых встроенными мостами Уитстона для обнаружения малейших механических деформаций.

Учёные разместили монокристаллические образцы теллура на парах кантилеверов, направленных в противоположные стороны. Теллур был выбран стратегически — как хиральный кристалл (лишённый зеркальной симметрии), он содержит фононные моды, характеризующиеся круговыми атомными движениями, способными переносить угловой момент.

Зависимость углового момента фононов от хиральности. Автор: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02952-3

Перспективы исследования

Это открытие может привести к разработке новых квантовых технологий, таких как механизмы квантовой трансдукции, манипулирование тепловыми спиновыми состояниями и различные методы обработки квантовой информации.

Способность генерировать и контролировать угловой момент фононов через тепловые градиенты представляет новую парадигму для связи тепловых, механических и квантовых степеней свободы в материалах.

«Хиральные квантовые состояния, включая хиральную сверхпроводимость и квантовую спиновую жидкость, являются рубежами исследований квантовых материалов. Угловой момент — ключевое физическое свойство хиральных квантовых состояний», — отмечает команда.

Эта работа также открывает возможности для совершенно новых классов квантовых устройств, использующих связь между тепловыми градиентами и механическими моментами через угловой момент фононов. Такие устройства могут найти применение в сверхчувствительных системах обнаружения, например, для поиска тёмной материи.