Wie chirale Phononen funktionieren – und warum sie wichtig sind

Atome, die im Kreis tanzen

In jedem festen Material vibrieren Atome. Diese Schwingungen, die in Pakete namens Phononen gequantelt sind, transportieren Wärme und Schall durch Kristallgitter. Die meisten Phononen schwingen in geraden Linien hin und her. In bestimmten Kristallen mit asymmetrischen Strukturen tun Atome jedoch etwas viel Interessanteres: Sie bewegen sich in winzigen Kreisen und spiralisieren sich im oder gegen den Uhrzeigersinn wie koordinierte Tänzer.

Diese kreisförmigen Gitterschwingungen werden chirale Phononen genannt. Sie wurden erstmals 2018 am Lawrence Berkeley National Laboratory experimentell beobachtet und sind seitdem zu einer der aufregendsten Fronten der Physik der kondensierten Materie geworden – denn ihre Drehbewegung trägt etwas Wertvolles: Drehimpuls.

Was macht ein Phonon „chiral“?

Chiralität, vom griechischen Wort für „Hand“, beschreibt Objekte, die nicht mit ihrem Spiegelbild zur Deckung gebracht werden können. Ein chirales Phonon schwingt in einem Rotationsmuster, das eine bestimmte Händigkeit aufweist – links oder rechts. Dies geschieht, wenn die Gitterstruktur eines Kristalls die sogenannte Inversionssymmetrie bricht, was bedeutet, dass die Anordnung der Atome anders aussieht, wenn sie durch einen zentralen Punkt gespiegelt wird.

Materialien wie α-Quarz, Tellur und Selen besitzen diese Asymmetrie auf natürliche Weise. Wenn Energie – typischerweise Wärme – ihr Gitter anregt, beginnen sich Atome eher im Kreis zu bewegen, als einfach nur zu hüpfen. Wenn sich diese chiralen Phononen durch das Material ausbreiten, tragen sie ihren Drehimpuls mit sich und fädeln so effektiv Drehimpuls wie eine Welle durch den Kristall.

Von der Vibration zur Elektronensteuerung

Der Durchbruch, der chirale Phononen von einer Kuriosität zu einer potenziellen Technologie erhob, gelang, als Forscher der NC State University und der University of Utah demonstrierten, dass chirale Phononen ihren Drehimpuls direkt auf Elektronen übertragen können. Ihre in Nature Physics veröffentlichte Studie zeigte, dass in α-Quarz – einem gewöhnlichen, kostengünstigen Kristall – chirale Phononen Elektronen ohne externe Magnete, Batterien oder angelegte Spannung in eine Orbitalbewegung versetzten.

Das Team nannte dieses Phänomen den orbitalen Seebeck-Effekt, in Analogie zum bekannten Spin-Seebeck-Effekt. Durch Anlegen eines Temperaturgradienten über den Quarz regten sie chirale Phononen an, die gemeinsam ihren Drehimpuls an Elektronen in dünnen Wolfram- und Titanfilmen abgaben, die auf der Oberfläche des Kristalls abgeschieden waren. Der resultierende Fluss von orbitalem Drehimpuls wurde durch den inversen orbitalen Hall-Effekt detektiert.

„Wir brauchen keinen Magneten, keine Batterie, keine Spannung – nur ein Material mit chiralen Phononen“, erklärten die Forscher.

Warum es die Tür zur Orbitronik öffnet

Die heutige Elektronik kodiert Informationen mithilfe elektrischer Ladung. Eine aufkommende Alternative, die Spintronik, nutzt den Elektronenspin. Die Spintronik erfordert jedoch typischerweise teure magnetische Materialien und leidet unter schnellem Signalabfall. Chirale Phononen bieten einen dritten Weg: die Orbitronik, bei der Informationen durch die Orbitalbewegung von Elektronen transportiert werden.

Die Orbitronik bietet mehrere Vorteile. Der orbitale Drehimpuls kann in vielen Materialien länger anhalten als der Spin, was potenziell eine effizientere Datenübertragung ermöglicht. Die beteiligten Materialien – Quarz, Tellur, Selen – sind im Vergleich zu den Seltenerdmagneten, die die Spintronik oft benötigt, reichlich vorhanden und kostengünstig. Und da chirale Phononen einfach durch Wärme angeregt werden können, könnten orbitronische Geräte thermische Abwärme nutzen, um Informationen zu verarbeiten.

Herausforderungen

Es sind noch erhebliche Hürden zu überwinden, bevor die Orbitronik das Labor verlässt. Die Aufrechterhaltung der chiralen Phononenkohärenz bei Raumtemperatur ist schwierig; thermisches Rauschen kann die empfindlichen kreisförmigen Schwingungen durcheinanderbringen. Die Skalierung des Effekts, um Signale zu erzeugen, die stark genug für praktische Geräte sind, erfordert weitere Materialentwicklung. Forscher katalogisieren auch, welche der Tausenden bekannten Kristalle robuste chirale Phononen unterstützen – eine Studie aus dem Jahr 2026 in Nature Physics veröffentlichte einen symmetriegeleiteten Katalog, um diese Suche zu beschleunigen.

Dennoch ist der grundlegende Proof of Concept überzeugend. Chirale Phononen zeigen, dass der einfache Akt des Atomtanzens im Kreis Elektronen auf eine Weise steuern kann, die Magnete und Spannungen nicht können – und weisen auf eine zukünftige Generation von Computerhardware hin, die schneller, billiger und deutlich energieeffizienter ist.