I fononi possono essere chirali

Il concetto che i fononi possono essere chirali è stato scoperto utilizzando la luce a raggi X circolare in cui si vede i fononi che si attorcigliano come un cavatappi attraverso il quarzo

Il concetto di chiralità è di grande rilevanza in natura, dalle molecole chirali come lo zucchero alle trasformazioni di parità nella fisica delle particelle. Nella fisica della materia condensata, studi recenti hanno dimostrato i fermioni chirali e la loro rilevanza nei fenomeni emergenti strettamente correlati alla topologia. La verifica sperimentale dei fononi chirali (bosoni) rimane impegnativa, tuttavia, nonostante il loro previsto forte impatto sulle proprietà fisiche fondamentali.

In tutta la natura, a tutte le scale, puoi trovare esempi di chiralità - o manualità. Immagina di provare a mangiare un panino con due mani che non fossero enantiomeri - immagini speculari non sovrapponibili - l'una dell'altra. Si considerino i disastri farmacologici causati dalla somministrazione dell'enantiomero farmacologico sbagliato o, su scala subatomica, l'importanza del concetto di parità nella fisica delle particelle. Ora, grazie a un nuovo studio, pubblicato su Nature (1), condotto dai ricercatori del Paul Scherrer Institute (PSI), sappiamo che anche i fononi possono possedere questa proprietà.

Un fonone è una quasiparticella che descrive le eccitazioni vibrazionali collettive degli atomi in un reticolo cristallino; immaginatela come l'Irish Riverdance degli atomi. I fisici hanno previsto che se i fononi possono dimostrare chiralità potrebbero avere importanti implicazioni sulle proprietà fisiche fondamentali dei materiali. Con il rapido aumento negli ultimi anni della ricerca sui materiali topologici che presentano curiose proprietà di superficie elettroniche e magnetiche, è cresciuto l'interesse per i fononi chirali. Tuttavia, la prova sperimentale della loro esistenza è rimasta sfuggente.

Ciò che rende i fononi chirali sono i passi della loro danza. Nel nuovo studio, le vibrazioni atomiche danzano in una torsione che si muove in avanti come un cavatappi. Questo movimento a cavatappi è uno dei motivi per cui c'è stata una tale spinta a scoprire il fenomeno. Se i fononi possono ruotare in questo modo, come la bobina di filo che forma un solenoide, forse potrebbero creare un campo magnetico in un materiale.

“Una nuova prospettiva sul problema”

È questa possibilità che ha motivato il gruppo del dottor Urs Staub (2) presso il Paul Scherrer Institute (PSI), che ha guidato lo studio. «È perché siamo nel punto di congiunzione tra la scienza dei raggi X ultraveloci e la ricerca sui materiali che potremmo affrontare il problema da una prospettiva diversa», afferma. I ricercatori sono interessati a manipolare le modalità chirali dei materiali utilizzando la luce chirale, una luce polarizzata circolarmente.

Per la loro prova, gli scienziati hanno usato una particolare fonte luminosa. Usando il quarzo, uno dei minerali più noti i cui atomi - silicio e ossigeno - hanno formato una struttura chirale mostrando come la luce polarizzata circolarmente si accoppia ai fononi chirali. Per fare ciò, hanno utilizzato una tecnica nota come scattering di raggi X anelastico risonante (resonant inelastic X-ray scattering - RIXS) presso la Diamond Light Source nel Regno Unito. Ciò è stato integrato con descrizioni teoriche di supporto su come il processo creerebbe e consentirebbe il rilevamento di fononi chirali dai gruppi dell'ETH di Zurigo (Carl Romao e Nicola Spaldin) e dell'MPI di Dresda (Jeroen van den Brink).

"Di solito non funziona così nella scienza!"

Nel loro esperimento, la luce polarizzata circolarmente risplende sul quarzo. I fotoni di luce possiedono un momento angolare, che trasferiscono al reticolo atomico, lanciando le vibrazioni nel loro movimento a cavatappi. La direzione in cui ruotano i fononi dipende dalla chiralità intrinseca del cristallo di quarzo. Quando i fononi ruotano, rilasciano energia sotto forma di luce diffusa, che può essere rilevata.

Immagina di stare su una rotonda e lanciare un frisbee. Se lanci il frisbee con la stessa direzione di movimento della rotatoria, ti aspetteresti che sfrecci. Lancialo dall'altra parte e girerà di meno, poiché il momento angolare della rotatoria e del frisbee si annulleranno. Allo stesso modo, quando la luce polarizzata circolarmente si attorciglia nella medesima dinamica del fonone che eccita, il segnale viene potenziato e si possono rilevare i fononi chirali.

Un esperimento ben pianificato, calcoli teorici accurati e poi è successo qualcosa di strano: quasi tutto è andato secondo i piani. Non appena hanno analizzato i risultati, la differenza nella risposta al ribaltamento della chiralità della luce è stata innegabile.

«I risultati sono stati convincenti quasi immediatamente, soprattutto quando abbiamo confrontato la differenza con gli altri enantiomeri di quarzo», ricorda il dottor Hiroki Ueda (3), scienziato del PSI e primo autore della pubblicazione. Seduto al suo computer per analizzare i dati, Ueda è stata la prima persona a vedere i risultati: «Continuavo a controllare i miei codici di analisi per assicurarmi che fosse vero». Staub sottolinea: «Non è normale! Di solito non funziona così nella scienza!»

Splendidamente semplice

Durante la ricerca dei fononi chirali, ci sono stati diversi falsi allarmi. Questo risolverà il dibattito? «Sì, penso di sì, questa è la bellezza di questo lavoro», crede Staub, la cui opinione è stata condivisa dagli arbitri di Nature. «Perché è semplice, bello e diretto. È ovvio. È così semplice, è ovvio che questo è il movimento chirale».

Riferimenti:

(1) Chiral phonons in quartz probed by X-rays

(2) Urs Staub

(3) Hiroki Ueda

Descrizione foto: Per dimostrare l'esistenza di fononi chirali, i ricercatori hanno usato la diffusione anelastica risonante dei raggi X (RIXS). La luce polarizzata circolarmente risplende sul quarzo. Il momento angolare dei fotoni viene trasferito a un cristallo, provocando in questo caso una rivoluzione degli anioni (sfere arancioni con orbitali p) rispetto ai cationi vicini (sfere verdi). - Credit: Paul Scherrer Institute / Hiroki Ueda and Mahir Dzambegovic.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Mirror, mirror on the wall… Now we know there are chiral phonons for sure