Chirale Phononen lassen sich elektrisch umschalten

Elektrizität kann die Drehrichtung atomarer Schwingungen verändern. Ein Experiment am Paul Scherrer Institut zeigt, wie sich sogenannte chirale Phononen gezielt umkehren lassen – und eröffnet damit eine interessante Perspektive für die Physik von Magnetismus und künftige Informationstechnologien.

In einem Kristall steht nichts wirklich still. Die Atome schwingen um ihre Plätze, und diese Bewegungen breiten sich durch das Gitter aus. Physiker beschreiben sie als Phononen. Manche dieser Schwingungen haben eine besondere Eigenschaft: Sie besitzen eine bevorzugte Drehrichtung. Sie sind „chiral“, haben also eine Art physikalische Händigkeit.

Forscher am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen haben nun gezeigt, dass sich diese Händigkeit elektrisch umkehren lässt. Dazu verwendeten sie Bariumtitanat (BaTiO₃), ein ferroelektrisches Material. In solchen Materialien lässt sich die elektrische Polarisation mit einem äußeren Feld umschalten.

Für ihr Experiment stellten die Wissenschaftler zusammen mit Forschungspartnern in Taiwan nur etwa 40 Nanometer dünne Membranen aus Bariumtitanat her. Kleine Elektroden machten es möglich, die Polarisation des Materials gezielt umzudrehen. Dabei änderte sich auch die Drehrichtung der chiralen Phononen.

Das Entscheidende: Der Effekt verschwindet nicht sofort wieder, sobald die Spannung weggenommen wird. Der einmal eingestellte Zustand bleibt erhalten. Die Umschaltung gelang bei Raumtemperatur und mit einer Spannung von drei Volt.

Gerade dieses Verhalten macht das Experiment auch für mögliche technische Anwendungen interessant. Ein Zustand, der sich elektrisch verändern und anschließend ohne dauerhaft angelegtes Feld speichern lässt, erinnert an ein grundlegendes Prinzip elektronischer Speicher. Von einem funktionierenden Phononen-Speicher oder gar einem neuen Computerbaustein ist die Forschung allerdings noch weit entfernt.

Um die Chiralität der Phononen sichtbar zu machen, griffen die Forscher zu einem ungewöhnlichen Werkzeug: zirkular polarisierter Röntgenstrahlung. Die Messungen fanden an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble statt. Mithilfe der resonanten inelastischen Röntgenstreuung, kurz RIXS, konnten die Wissenschaftler den Austausch von Drehimpuls zwischen dem Röntgenlicht und dem Kristallgitter untersuchen.

Die Arbeit knüpft an ein Experiment aus dem Jahr 2023 an. Damals hatte das Team um Urs Staub und Michael Grimes vom PSI chirale Phononen erstmals experimentell nachgewiesen – zunächst in Quarz. Jetzt konnten die Forscher zeigen, dass sich deren Chiralität in einem ferroelektrischen Material gezielt steuern lässt. Für die Physiker ist dabei vor allem der Drehimpuls der Phononen interessant. Er könnte es ermöglichen, die atomaren Schwingungen mit magnetischen Zuständen eines Materials zu koppeln. Wenn sich die Drehrichtung der Phononen elektrisch verändern lässt, könnte man solche Wechselwirkungen möglicherweise ebenfalls beeinflussen.

„Wir wissen inzwischen, dass sich der Drehimpuls von Phononen mit Elektrizität steuern lässt“, sagt Erstautor Michael Grimes. Daraus könnte sich langfristig ein Ansatz für eine phononenbasierte Informationsverarbeitung entwickeln. Noch ist das allerdings eine Perspektive, keine fertige Technologie. Interessant ist das Experiment zunächst vor allem deshalb, weil es eine ungewöhnliche Verbindung sichtbar macht: Eine elektrische Spannung kann in einem Kristall die Richtung verändern, in der sich Atome gewissermaßen im Kreis bewegen.

Das führt zugleich zu einer grundsätzlicheren Frage. Chiralität – also die Unterscheidung zwischen einer rechten und einer linken Form – ist in der Natur allgegenwärtig, von Molekülen bis zu biologischen Strukturen. Mit den chiralen Phononen lässt sich nun auf atomarer Ebene untersuchen, wie eine solche gerichtete Bewegung mit anderen Eigenschaften der Materie zusammenhängt.

Die Studie trägt den Titel „Electric-field switching of g-wave phonon chirality in ferroelectric BaTiO₃“ und ist in Nature Materials erschienen. Beteiligt waren neben dem Paul Scherrer Institut Forscher aus Taiwan und weiteren Forschungseinrichtungen.