Spin-Sonics: Die Schallwelle bringt die Elektronen zum Drehen

Ein Forscherteam demonstrierte erstmals die Rotation der akustischen Nanowelle

WEST-LAFAYETTE, Ind. – Forscher haben die Rollbewegung einer nanoakustischen Welle entdeckt, die 1885 vom berühmten Nobelpreisträger Lord Riley vorhergesagt wurde. Dieses Phänomen kann in akustischen Quantentechniken oder in sogenannten „Sound“-Komponenten Anwendung finden, die verwendet werden, um die Ausbreitung von Schallwellen steuern.

Die in der Zeitschrift veröffentlichte Studie Wissenschaftlicher FortschrittEs wurde von Forschern der Purdue University, der University of Augsburg, der University of Münster und der University of Alberta durchgeführt.

Das Team verwendete einen Nanodraht, in dem Elektronen durch den Spin der Schallwelle in kreisförmige Bahnen gezwungen werden. Schallwellen sind in der modernen Nanophysik unglaublich vielseitig, da sie sowohl elektronische als auch photonische Systeme beeinflussen können. Mikroakustische Chips in Computern, Smartphones oder Tablets sorgen beispielsweise dafür, dass die empfangenen Funksignale elektronisch verarbeitet werden. Trotz der weit verbreiteten Verwendung nanoakustischer Wellen wurde jedoch die grundlegende Eigenschaft des Spins nanoakustischer Wellen bis zu dieser Studie nicht entdeckt.

„Seit Lord Rileys Pionierarbeit ist bekannt, dass sich Schallwellen auf der Oberfläche fester Materialien ausbreiten und eine sehr ausgeprägte elliptische Kreisbewegung aufweisen“, sagt Hubert Kreiner, Professor für Physik, der die Studie an der Universität leitete. Aus Augsburg und vor kurzem an die Universität Münster gezogen. „Bei Schall-Nanowellen ist es uns nun gelungen, diese Querrotation, die wir Physiker diese Bewegung nennen, direkt zu beobachten.“

In ihrer Studie verwendeten die Forscher einen sehr feinen Nanodraht, der auf einem sogenannten piezoelektrischen Material, Lithiumniobat, platziert wurde. Dieses Material verformt sich, wenn es einem elektrischen Strom ausgesetzt wird, und mit Hilfe von kleinen Metallelektroden kann eine Schallwelle auf dem Material erzeugt werden.

Auf der Materialoberfläche erzeugt die Schallwelle ein elliptisches (kreisförmiges) rotierendes elektrisches Feld. Dies wiederum drückt die Elektronen in den Nanodrähten auf kreisförmige Bahnen.

„Bisher wissen wir von diesem Lichtphänomen“, sagte er. Zubin Jacob, Purdue außerordentlicher Professor Elmore Elektro-und Informationstechnik. „Es ist uns nun gelungen, zu zeigen, dass es sich um einen globalen Effekt handelt, der auch bei anderen Wellenarten wie Schallwellen auf einer technisch wichtigen Plattform, Lithium-Niobat, auftritt.“

Die vorgestellten Forschungsergebnisse sind ein Meilenstein: Die erstmals beobachtete Querrotation kann gezielt zur Steuerung von Nanosystemen oder zur Informationsübertragung genutzt werden.

„Wir haben die Bewegung von Elektronen in den Nanodrähten, die an der TU München hergestellt wurden, durch das von den Elektronen emittierte Licht beobachtet“, sagt Maximilian Sonner. Student am Institut für Physik der Universität Augsburg.

Sonners Kollegin Lisa Juncker ergänzt: „Wir verwenden hier ein sehr schnelles Stroboskop, mit dem wir diese Bewegung praktisch in Echtzeit verfolgen können – auch bei höheren Frequenzen im Gigahertz-Bereich.“

Farhad Khosravi, der kürzlich seinen Ph.D. In Jacobs Forschungsgruppe übertrug er seine Lichtberechnungen direkt auf die Rayleigh-Schallwelle. „Es ist seit langem bekannt, dass Lichtwellen und Schallwellen ähnliche Eigenschaften haben. Die Übereinstimmung ihrer Rotationseigenschaften ist jedoch wirklich außergewöhnlich“, sagte Khosravi.

Die Forscher sind überzeugt, dass das diesem Phänomen zugrunde liegende universelle Prinzip der Spinphysik zu wichtigen technologischen Fortschritten führen wird. Das Team arbeitet nun daran, den transversalen Spin von Schallwellen mit dem Spin anderer Wellen zu korrelieren.

„Als nächstes müssen wir diesen transversalen akustischen Spin gezielt nutzen, um beispielsweise optische Quantensysteme oder Lichtspins zu manipulieren“, sagt Jacob.

Das Projekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Stipendien KR3790/6-1 und KO4005/6-1) und dem DARPA Nascent Light-Matter Interactions Program gefördert.

Über die Purdue University

Die Purdue University ist eine führende öffentliche Forschungseinrichtung, die an der Entwicklung praktischer Lösungen für die schwierigsten Herausforderungen von heute arbeitet. Die Purdue University wurde vom US News & World Report als fünftinnovativste Universität der Vereinigten Staaten eingestuft und bietet weltverändernde Forschung und außergewöhnliche Entdeckungen. Purdue ist dem praktischen Online-Lernen verpflichtet und bietet transformative Bildung für alle. Der Erschwinglichkeit und Zugänglichkeit verpflichtet, hat die Purdue University die Studiengebühren und die meisten Gebühren auf dem Niveau von 2012-13 eingefroren, sodass mehr Studenten als je zuvor schuldenfrei ihren Abschluss machen können. Beobachten Sie, wie Purdue bei der unermüdlichen Jagd nach dem nächsten großen Sprung nie aufhört https://purdue.edu/.

Medienkontakt: Kyla Wells, 765-494-2432, wiles5@purdue.edu

Schriftsteller: Christina Hoppenbrook, Universität Münster

Quelle: Zubin Jacob, zjacob@purdue.edu

Abstrakt

Ultraschnelle Elektronenzykloide, angetrieben durch die transversale Rotation einer akustischen Oberflächenwelle

Maximilian M. Soner, Farhad Khosravi, Lisa Juncker, Daniel Rudolph, Gregor Kopelmüller, Zubin Jacob, Hubert J.

DOI

Spinal Momentum Locking ist ein globales Wellenphänomen, das für Anwendungen in der Elektronik und Photonik vielversprechend ist. In der Akustik hat Lord Rayleigh gezeigt, dass akustische Oberflächenwellen eine charakteristische elliptische Teilchenbewegung aufweisen, die einer Spin-Impuls-Sperre auffallend ähnlich ist. Obwohl diese Wellen zu einer der wenigen akustischen Technologien von industriellem Interesse geworden sind, blieb die Beobachtung ihrer Querrotation eine offene Herausforderung. Hier beobachten wir die volle Spindynamik, indem wir eine ultraschnelle Elektronenzykloide detektieren, die durch das elektrische Spinfeld angetrieben wird, das von einer akustischen Oberflächenwelle erzeugt wird, die sich auf einer Platte aus Lithiumniobat ausbreitet. Ein röhrenförmiger Quantentopf, der um einen Nanodraht gewickelt ist, fungiert als ultraschneller Sensor, der die gesamte periodische Bewegung von Elektronen verfolgt. Unser akustischer Photovoltaik-Ansatz eröffnet neue Richtungen in den kombinierten Bereichen der Nanoakustik, Nanophotonik und Nanoelektronik für die zukünftige Erforschung.