Onderzoekers hebben de rollende beweging van een nano-akoestische golf gedetecteerd, voorspeld door de beroemde natuurkundige en Nobelprijswinnaar Lord Rayleigh in 1885. Dit fenomeen kan toepassingen vinden in akoestische kwantumtechnologieën of in zogenaamde "fononische" componenten, die worden gebruikt om de voortplanting van akoestische golven te regelen.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , werd uitgevoerd door onderzoekers van de Purdue University, de Universiteit van Augsburg, de Universiteit van Münster en de Universiteit van Alberta.

Het team gebruikte een nanodraad waarin elektronen door de spin van de akoestische golf op cirkelvormige paden worden gedwongen. Akoestische golven zijn ongelooflijk veelzijdig in de moderne nanofysica, omdat ze zowel elektronische als fotonische systemen kunnen beïnvloeden. Bijvoorbeeld, minuscule micro-akoestische chips in computers, smartphones of tablets zorgen ervoor dat de ontvangen draadloze signalen elektronisch worden verwerkt. Echter, ondanks het brede gebruik van nano-akoestische golven, de fundamentele eigenschap van spin van de nano-akoestische golf was tot deze studie niet ontdekt.

"Sinds het pionierswerk van Lord Rayleigh, het is bekend dat er akoestische golven zijn die zich voortplanten op het oppervlak van vaste stoffen en die een zeer karakteristieke elliptische rolbeweging vertonen, " zei Hubert Krenner, een professor in de natuurkunde, die de studie leidde aan de universiteit van Augsburg en onlangs naar de universiteit van Münster verhuisde. "In het geval van nano-akoestische golven, we zijn er nu in geslaagd om deze transversale spin direct waar te nemen, dat is wat wij natuurkundigen deze beweging noemen."

In hun studie hebben gebruikten de onderzoekers een uiterst fijne nanodraad die op een zogenaamd piëzo-elektrisch materiaal was geplaatst, lithiumniobaat. Dit materiaal vervormt wanneer het wordt blootgesteld aan een elektrische stroom, en, met behulp van kleine metalen elektroden, op het materiaal kan een akoestische golf worden opgewekt.

Op het oppervlak van het materiaal, de akoestische golf genereert een elliptisch roterend (ronddraaiend) elektrisch veld. Dit, beurtelings, dwingt de elektronen in de nanodraad op cirkelvormige paden.

"Tot nu toe wisten we van dit fenomeen voor licht, " zei Zubin Jacob, Purdue's Elmore universitair hoofddocent elektrische en computertechniek. "Nu zijn we erin geslaagd aan te tonen dat dit een universeel effect is, die ook voorkomt bij andere soorten golven, zoals geluidsgolven op een technologisch belangrijk platform, lithiumniobaat."

De gepresenteerde onderzoeksresultaten zijn een mijlpaal:de transversale spin, voor het eerst waargenomen, kan specifiek worden gebruikt om nanosystemen te besturen of informatie over te dragen.

"We hebben de beweging van elektronen in de nanodraden waargenomen, die werden gemaakt aan de Technische Universiteit van München, door het licht dat door de elektronen wordt uitgezonden, " zei Maximiliaan Sonner, een doctoraat student aan het Instituut voor Natuurkunde van de Universiteit van Augsburg.

Sonners collega, Lisa Janker, toegevoegd, "We gebruiken hier een extreem snelle stroboscoop, waardoor we deze beweging praktisch in realtime kunnen observeren, zelfs bij hogere frequenties tot in het gigahertz-bereik."

Farhad Khosravi, die onlangs zijn Ph.D. in de onderzoeksgroep van Jacob, had zijn berekeningen voor licht rechtstreeks naar de Rayleigh akoestische golf overgebracht. “Het is al lang bekend dat lichtgolven en geluidsgolven vergelijkbare eigenschappen hebben. de mate van de match voor hun spin-eigenschappen is echt fenomenaal, ' zei Khosravi.

De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat het universele principe van spinfysica dat aan dit fenomeen ten grondslag ligt, tot belangrijke technologische vooruitgang zal leiden. Het team werkt nu om de transversale spin van akoestische golven te koppelen aan de spin van andere golven.

"Wat we vervolgens moeten doen, is deze transversale akoestische spin specifiek gebruiken om optische kwantumsystemen of de spin van licht te manipuleren, bijvoorbeeld, ' zei Jaap.