X로 조사된 석영의 키랄 포논

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키랄성 개념은 설탕과 같은 키랄 분자부터 입자 물리학의 패리티 변환에 이르기까지 자연과 매우 관련이 있습니다. 응축 물질 물리학에서 최근 연구에서는 키랄 페르미온과 토폴로지1,2,3와 밀접하게 관련된 창발 현상에서의 관련성을 입증했습니다. 그러나 키랄 포논(보손)에 대한 실험적 검증은 기본적인 물리적 특성에 대한 예상되는 강력한 영향에도 불구하고 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다4,5,6. 여기에서는 원형 편광 X선을 사용한 공진 비탄성 X선 산란을 사용한 키랄 포논의 실험적 증거를 보여줍니다. 원형 키랄 재료 석영을 사용하여 본질적으로 키랄인 원형 편광 X선이 상호 공간의 특정 위치에서 키랄 포논과 결합하여 격자 모드의 키랄 분산을 결정할 수 있음을 보여줍니다. 키랄 포논에 대한 우리의 실험적 증거는 근본적으로 중요한 응축 물질의 새로운 자유도를 보여 주며 키랄 보존에 기반한 새로운 창발 현상을 탐구할 수 있는 문을 열어줍니다.

고체의 준입자는 근본적으로 많은 물리적 특성을 지배하며 대칭이 가장 중요합니다. 키랄 준입자가 특히 흥미롭습니다. 예를 들어, 키랄 페르미온은 Weyl 반금속1 및 키랄 결정2,3의 축퇴 노드에서 나타납니다. 이들의 키랄 특성은 키랄 이상7에 의해 직접적으로 나타나며 원편광8, 키랄 광전류9 및 수송7에 의한 선택적 광여기를 포함하여 풍부한 토폴로지 특성으로 이어집니다. 포논4,5,6,10,11,12,13,14,15,16,17 및 마그논6,18,19,20과 같은 키랄 보존의 존재에 대해서도 광범위하게 논의되어 왔습니다.

키랄 포논은 원자가 관련 원형 편광 및 각운동량과 함께 전파에 수직인 회전 운동을 갖는 고체의 진동 모드입니다. 각운동량의 결과로 키랄 포논은 궤도 자기 모멘트를 전달할 수 있어 다른 나선형 원자 회전의 광자기 효과와 유사한 음자기 효과를 가능하게 합니다. 이에 따라 포논은 여기된 마그논의 관찰을 설명하기 위해 호출된 효과적인 자기장을 생성할 수 있으며 스핀 시스템에서 초고속 각운동량 전달을 통해 여기를 가능하게 합니다. 지금까지 음파 자기장은 주로 Γ 지점에서 논의되었지만 키랄 포논은 구역 중심에서 멀리 떨어진 비대칭 재료에서 자연적으로 발생하며 근본적으로 다른 대칭을 기반으로 합니다.

포논 키랄성에 대한 실험적 관찰은 어려운 것으로 입증되었습니다. 원자 회전이 포논 전파 방향(원형 포논)을 포함하는 평면에 국한된 경우 모드는 Γ 및 기타 대칭 지점에서 전파되지 않는 포논에 대해 발생하는 것처럼 키랄 특성을 가질 수 없습니다(보충 정보에는 대칭 고려 사항이 있음). 따라서 키롭티컬 분광법16 및 원형 편광 라만 산란17과 같은 광학 프로브 기술을 기반으로 한 결과는 광학 광자의 파장이 크기 때문에 키랄 포논의 존재를 식별하기에 충분하지 않아 탐사를 Γ 지점에 매우 가깝게 제한합니다. 키랄 포논 관찰에 대한 첫 번째 주장은 단층 전이 금속 디칼코게나이드5의 높은 대칭성 지점에서 이루어졌지만 대칭성 주장6과 일치하지 않는다고 주장되었습니다. 따라서 포논의 키랄 특성을 직접적으로 검증할 수 있는 실험적 방법의 확립이 강력히 요구되고 있다.

이 연구에서는 브릴루앙 구역의 일반적인 운동량 지점에서 키랄 물질의 키랄 포논을 시연합니다. 우리는 원형 편광 X선을 이용한 공진 비탄성 X선 산란(RIXS)을 사용하여 포논의 키랄성을 조사합니다. 우리의 전략은 원형 편광 X선이 키랄이라는 사실에 기초하고 있으며 나사 축 금지 반사에 원형 편광 X선을 사용하여 정적 격자의 키랄성을 조사하기 위해 공진 탄성 X선 산란을 사용함으로써 영감을 얻었습니다. RIXS를 사용하면 원형 편광 키랄 광자가 각운동량을 전달하여 동적 키랄 포논 모드에 결합될 수 있으며, 이 프로세스는 상호 공간의 일반 운동량 지점에서 발생할 수 있습니다. 우리의 이론적 분석에 따르면 RIXS에서 관찰된 원형 이색성은 키랄 결정 구조에 의해 결정된 키랄 방식으로 정렬되는 공진 원자의 궤도에 의해 발생합니다. 밀도 함수 이론(DFT)을 사용하여 해당 Q 지점에서 포논의 각운동량을 계산합니다.