Vrtinčasti zvok

(Klik na naslovno sliko pokaže animacijo)

Fiziki in fizičarke so odkrili nov način širjenja zvoka v posebnih materialih.

V posebno pripravljenih dvodimenzionalnih plasteh selena in volframa, ki sta urejena v heksagonalni mreži, so znanstveniki in znanstvenice zaznali atipične zvočne tvorbe. Te posedujejo kvant vrtilne količine, zato jih lahko razumemo kot vrtince. Pravimo, da gre za kiralne fonone. Pojavijo se šele pri dovolj nizkih temperaturah, vendar ne pri ekstremno nizkih. Delce so opazili pri 82 kelvinih, kar je približno minus 200 stopinj Celzija.

Zvok v snovi navadno razumemo kot tresenje njenih osnovnih gradnikov okoli ravnovesnih leg. V mreži atomov frcnemo enega in zaradi tega se, ker se atomi med seboj čutijo, začnejo gibati tudi drugi. Enakemu mehanizmu smo priča pri širjenju zvočnih valov: rahla napetost oziroma razlika v zračnem tlaku ustreza širjenju zgostitev in razredčitev zraka, ki jih lahko zaznamo z opno v naših ušesih.

Ko govorimo o zvoku, imamo ponavadi v mislih smer, v katero se zvok širi. Lahko rečemo, da v tej smeri potuje energija v obliki gibanja prej omenjenih zgostitev zraka. Pri tem je gonilo premikanja neprestano čelno zabijanje potujoče zgostitve v zrak pred sabo.

V aktualni raziskavi pa je ekipa kitajskih in ameriških raziskovalcev in raziskovalk odkrila, da se zvok lahko obnaša tudi drugače. Namesto da bi se delci zabijali drug v drugega in s tem povzročali nadaljnje odmike iz ravnovesja, torej običajen zvok, se delci vrtijo okoli svojih ravnovesnih leg.

V eksperimentu so z optično črpalko v snov dodajali vrzeli oziroma kvazidelce odsotnosti elektrona. Uporabili so poseben tip svetlobe, katere kvanti imajo vrtilno količino. Med absorpcijo kvanti svetlobe svojo vrtilno količino oddajo snovi. Z opazovanjem sipanja ustvarjenih vrzeli na fononih, kvantih zvoka, so lahko pokazali, da vrtilno količino v procesu dejansko prevzame fonon.

Za dokaz so morali ob procesu meriti gibalno količino vrzeli, energijo fononov in njihovo psevdo-vrtilno količino. Ključna meritev je bila absorpcija infrardeče svetlobe, nastavljene na fononsko energijo z namenom, da fonon uniči. To pa se lahko zgodi samo, če proces dovoljuje ohranitev vrtilne količine. Absorpcija se je tako povečala, ko so preko prej orisanega mehanizma v vzorcu začeli proizvajati kiralne fonone.

Avtorji in avtorice raziskave trdijo, da je rezultat zanimiv z več vidikov. Snovi s kiralnimi bozoni, kot so novo odkriti fononi, bi lahko služile kot laboratorij za preverjanje mnogih teoretičnih modelov. Ti fononi bi lahko imeli pomembno funkcijo v fononskih vezjih, analogu elektronskih vezij, v katerih informacijo namesto elektronov prenašajo fononi.
Kiralno simetrijo je zlomil vajenec Martin.

Članek je bil objavljen v reviji Science (dx.doi.org/10.1126/science.aar2711).