Forskning om kirala fononer ger nya sätt att kontrollera material

Det snabbt växande forskningsfältet rörande kirala fononer ger forskarna nya insikter om materials grundläggande beteenden och strukturer. Fononers kiralitet kan bana väg för nya sätt att kontrollera materials egenskaper och att koda information på kvantnivå. vilket har bäring på bland annat kvantteknologier, elektronik, energitransport och sensorteknik.

I en nyligen publicerad översiktsartikel i Nature Physics redogörs det för utvecklingen av detta framväxande forskningsområde och man presenterar ett ramverk för klassificering av fononer samt en omfattande överblick över de material där kirala fononer har studerats eller kan upptäckas i framtiden. Artikeln bidrar till att påskynda utvecklingen inom ett av dagens snabbast växande områden inom kvantmaterial.

Matthias Geilhufe, forskarassistent på institutionen på fysik, forskar på kirala fononer och är en av huvudförfattarna till artikeln.

Vad är kirala fononer och när och var finns de? Hur uppstår de?

–  Material omkring oss är uppbyggda av en enorm mängd joner och elektroner. Ofta är jonerna ordnade i en regelbunden struktur, så kallad kristallstruktur. Det innebär att jonerna anordnar sig i form av ett gitter. Men de står inte stilla – de rör sig något kring sina gitterpositioner. Eftersom jonerna interagerar med varandra kan rörelsen beskrivas som vågor. Dessa vågor av gitterexcitationer kan beskrivas med kvantmekaniken och kallas fononer.

– Kiralitet beskriver objekt som inte kan överlappas med sin spegelbild. Ett exempel är våra händer: den högra handen är spegelbilden av den vänstra, men de kan inte läggas ovanpå varandra. Inom kemin kallas spegelbilderna av en molekyl för enantiomerer. Kirala fononer är alltså gitterexcitationer där två olika enantiomerer existerar. De kan uppstå naturligt genom kristallsymmetrin, men de kan också exciteras med hjälp av lasrar.

Vad kan kunskap om kirala fononer leda till på sikt?

– Symmetrin hos kirala fononer tillåter att de kopplas till materialets magnetisering eller till magnetfält. Under de senaste fem åren har olika experiment utvecklats som visar att denna koppling är betydligt starkare än man tidigare trott. Vissa kirala fononer har ett rörelsemängdsmoment som introducerar ett effektivt magnetfält. Detta fält har visat sig vara tillräckligt starkt för att kontrollera materialets magnetisering – en viktig förutsättning för framtidens informationslagring i datorer. Särskilt intressant är att det krävs mycket mindre energi för att generera ett effektivt magnetfält med kirala fononer jämfört med ett vanligt magnetfält.

– Även kirala fononer utan rörelsemängdsmoment har visat sig kunna kopplas till elektronernas spin genom en effekt som kallas CISS (Chirality-Induced Spin Selectivity). CISS-effekten är också viktig inom kemin, där molekylers egenskaper kan bero starkt på vilken spegelbild de tillhör. Om man kan kontrollera kirala fononer öppnas möjligheter att utveckla katalysatorer som skiljer mellan två enantiomerer med hjälp av laserfält.

Vad tycker du själv är intressantast med kirala fononer?

– Tillsammans med min forskargrupp på Chalmers tekniska högskola har vi utvecklat teoretiska modeller för hur kirala fononer kan leda till den starka kopplingen till magnetisering. Jag tror att effekten inte bara kan användas för nya teknologier, utan också för att förklara vissa fasövergångar i material som hittills varit oförstådda. Vi är särskilt intresserade av kirala fononers roll i mångpartikelsystem samt generaliseringar av effekten till exempelvis roterande system.

Mer om forskningen:

Perspektivartikeln om kirala fononer publicerades i Nature Physics den 22 september 2025. Den är skriven av Dominik M. Juraschek, R. Matthias Geilhufe, Hanyu Zhu, Martina Basini, Peter Baum, Andrey Baydin, Swati Chaudhary, Michael Fechner, Benedetta Flebus, Gael Grissonnanche, Andrei I. Kirilyuk, Mikhail Lemeshko, Sebastian F. Maehrlein, Maxime Mignolet, Shuichi Murakami, Qian Niu, Ulrich Nowak, Carl P. Romao, Habib Rostami, Takuya Satoh, Nicola A. Spaldin, Hiroki Ueda och Lifa Zhang.