科學家在納米二硒化鎢中發現“手征聲子”

二硒化鎢納米片是一種類石墨烯的二維材料，它主要的結構是由上下各一層硒原子連接中間1層鎢原子所組成，這種材料正成為了科學界的研究熱點。因為科學家們發現原子級薄（2-D）二硒化鎢材料結構具有自然發生的圓形旋轉，即贗自旋。

今年2月，中國科學家和美國科學家在國際權威的學術雜誌《Science》聯合發表了一項學術成果《Observation of chiral phonons》，在文章中他們聲稱在二硒化鎢材料中觀察到手征聲子的特性。

何為手征聲子？在經典的物理學理論中, 聲子廣泛地被認為是線極化的、不具有角動量的，呈原子的集體線性運動。但科學家在最近的研究中發現, 在具有自旋聲子相互作用的磁性體系中, 聲子可以攜帶非零的角動量, 在零溫時聲子除了具有零點能以外還帶有零點角動量。

單層納米二硒化鎢是世界上熱傳導率最低的材料之一。這種材料的聲子，在原子晶體中集體振動，自然而然地朝著某個方向旋轉。這種屬性被稱為手征性— 類似於人類的左手和右手彼此鏡像但不完全相同，控制這種旋轉的方向將提供穩定的機制來攜帶和存儲資訊，這種旋轉可能成為新型資訊技術的基石，也可能成為分子級轉子設計以驅動微型電機和機器。

單層納米二硒化鎢以其非同尋常的能力而聞名，因為它能夠保持其他材料中更短暫的特殊電子特性。也因此，它被認為是最具潛力的被稱為穀底電子材料。穀底材料又是什麼？例如，材料中電子的動量和波狀運動可以分類到材料電子結構中相反的“穀底”，每個谷代表傳統二進位資料中的1和0，也就是構成現代所有電腦運算的基礎——二進位。

手征聲子的最大優勢之一是旋轉與粒子的動量鎖定在一起，不易受到干擾。在研究中，科學家們發現原子能在二硒化二鎢的原子單層晶體中迴圈移動。在所研究的聲子模式中，硒原子似乎總體上以順時針方向旋轉，而鎢原子不顯示運動。研究人員準備了一張“三明治”，其中四張釐米大小的單層WSe₂樣本置於薄藍寶石晶體之間。他們同步超快雷射器來記錄時間相關的運動。

兩個鐳射源聚焦在樣品直徑僅有百萬分之七十的樣品上。其中一個雷射器在兩種不同的調諧模式之間進行精確切換，以感知左手和右手手性聲子活動的差異。研究人員隨後捕獲了樣本中的高能量發光，這是這種罕見吸收事件的特徵。通過這種被稱為瞬態紅外光譜的技術，研究人員不僅證實了手性聲子的存在，而且準確地獲得了其旋轉頻率。

到目前為止，該過程只產生少量的手性聲子。研究的下一步將是產生大量的旋轉聲子，並且瞭解晶體中的劇烈攪動是否可以用來翻轉電子的自旋或顯著改變材料的穀底特性。自旋是一種電子的固有屬性，可以被認為是它的指南針 - 如果它可以被翻轉指向北或南，它可以用來以一種稱為自旋電子學的新電子學形式傳遞資訊。

那麼這項研究成果有什麼實際用途嗎？科學家們認為，同樣的原理適用於所有具有三重對稱和反轉不對稱性的二維週期結構，同樣的原理涵蓋了一個巨大的天然材料系列，擁有這類特性的新材料將成為未來電腦、機器人等新工業製造的材料基石。

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