科学家在纳米二硒化钨中发现“手征声子”

二硒化钨纳米片是一种类石墨烯的二维材料，它主要的结构是由上下各一层硒原子连接中间1层钨原子所组成，这种材料正成为了科学界的研究热点。因为科学家们发现原子级薄（2-D）二硒化钨材料结构具有自然发生的圆形旋转，即赝自旋。

今年2月，中国科学家和美国科学家在国际权威的学术杂志《Science》联合发表了一项学术成果《Observation of chiral phonons》，在文章中他们声称在二硒化钨材料中观察到手征声子的特性。

何为手征声子？在经典的物理学理论中, 声子广泛地被认为是线极化的、不具有角动量的，呈原子的集体线性运动。但科学家在最近的研究中发现, 在具有自旋声子相互作用的磁性体系中, 声子可以携带非零的角动量, 在零温时声子除了具有零点能以外还带有零点角动量。

单层纳米二硒化钨是世界上热传导率最低的材料之一。这种材料的声子，在原子晶体中集体振动，自然而然地朝着某个方向旋转。这种属性被称为手征性— 类似于人类的左手和右手彼此镜像但不完全相同，控制这种旋转的方向将提供稳定的机制来携带和存储信息，这种旋转可能成为新型信息技术的基石，也可能成为分子级转子设计以驱动微型电机和机器。

单层纳米二硒化钨以其非同寻常的能力而闻名，因为它能够保持其他材料中更短暂的特殊电子特性。也因此，它被认为是最具潜力的被称为谷底电子材料。谷底材料又是什么？例如，材料中电子的动量和波状运动可以分类到材料电子结构中相反的“谷底”，每个谷代表传统二进制数据中的1和0，也就是构成现代所有计算机运算的基础——二进制。

手征声子的最大优势之一是旋转与粒子的动量锁定在一起，不易受到干扰。在研究中，科学家们发现原子能在二硒化二钨的原子单层晶体中循环移动。在所研究的声子模式中，硒原子似乎总体上以顺时针方向旋转，而钨原子不显示运动。研究人员准备了一张“三明治”，其中四张厘米大小的单层WSe₂样本置于薄蓝宝石晶体之间。他们同步超快激光器来记录时间相关的运动。

两个激光源聚焦在样品直径仅有百万分之七十的样品上。其中一个激光器在两种不同的调谐模式之间进行精确切换，以感知左手和右手手性声子活动的差异。研究人员随后捕获了样本中的高能量发光，这是这种罕见吸收事件的特征。通过这种被称为瞬态红外光谱的技术，研究人员不仅证实了手性声子的存在，而且准确地获得了其旋转频率。

到目前为止，该过程只产生少量的手性声子。研究的下一步将是产生大量的旋转声子，并且了解晶体中的剧烈搅动是否可以用来翻转电子的自旋或显着改变材料的谷底特性。自旋是一种电子的固有属性，可以被认为是它的指南针 - 如果它可以被翻转指向北或南，它可以用来以一种称为自旋电子学的新电子学形式传递信息。

那么这项研究成果有什么实际用途吗？科学家们认为，同样的原理适用于所有具有三重对称和反转不对称性的二维周期结构，同样的原理涵盖了一个巨大的天然材料系列，拥有这类特性的新材料将成为未来计算机、机器人等新工业制造的材料基石。

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