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Ein internationales Forscherteam hat einen neuen Mechanismus aufgezeigt, durch den unterschiedliche Schwingungen in einem Kristall – die normalerweise durch Symmetrie entkoppelt sind – miteinander verknüpft werden können. Mithilfe von Lichtstreuung zeigte das Team, dass in so genannten ferroaxialen Materialien kollektive Fluktuationen dieses geordneten Zustands als dynamische Brücke zwischen unabhängigen Schwingungsmoden fungieren. Dieser unkonventionelle Kanal, der als resonantes chirales Dressing bezeichnet wird, wurde zudem theoretisch vollständig erklärt. Die in Nature Physicsveröffentlichten Ergebnisse eröffnen neue Wege, um exotische Quantenphasen mit Licht nachzuweisen und zu steuern.
Symmetrie ist eines der grundlegendsten Prinzipien in der Natur. Sie beschreibt die Regeln, nach denen ein Objekt nach einer Drehung, Spiegelung oder anderen Transformationen unverändert aussieht. In Materialien bestimmt Symmetrie, wie Atome und Elektronen angeordnet sind und wie sie sich gemeinsam bewegen. Entscheidend ist, dass Symmetrie sogar verhindern kann, dass bestimmte kollektive Atombewegungen (Schwingungen) überhaupt miteinander interagieren: Manchen ist es schlichtweg verboten, miteinander zu kommunizieren. Was aber, wenn diese Symmetriebeschränkungen gar nicht so starr sind, wie sie scheinen?
Eine neue Studie in der Fachzeitschrift Nature Physics zeigt, dass diese Einschränkungen teilweise aufgehoben werden können. Forscher der University of Texas at Austin und des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg fanden heraus, dass elektronische Fluktuationen Schwingungen dynamisch überbrücken können, die durch Symmetrie normalerweise voneinander getrennt blieben. Unter der Leitung von Edoardo Baldinis Gruppe an der UT Austin zeigt die Studie, wie Licht, Schwingungen und Elektronen in einem speziellen Kristalltyp, der als ferroaxial bekannt ist, miteinander verflochten werden, was neue Möglichkeiten zur Steuerung von Quantenzuständen mit Licht eröffnet.
Die Forscher konzentrierten sich auf ein Schichtmaterial, das bei Raumtemperatur einen exotischen Quantenzustand entwickelt. Ionen und Elektronen ordnen sich gemeinsam zu einem statischen, wellenartigen Muster an, das als Ladungsdichtewelle (CDW) bekannt ist und sich als Anordnung von Davidstern-Clustern manifestiert (siehe Abbildung). Diese Sterne können sich auf zwei unterschiedliche Weisen ausrichten, was dem Kristall eine eingebaute Händigkeit (auch als planare Chiralität bekannt) verleiht. Der daraus resultierende Quantenzustand ist als ferroaxiale Ordnung bekannt und gilt als äußerst schwer zu untersuchen. Im Gegensatz zu einem Ferromagneten, dessen Magnetisierung auf ein Magnetfeld reagiert, koppelt die ferroaxiale Ordnung weder direkt an elektrische noch an magnetische Felder. Mit herkömmlichen optischen Experimenten lässt sie sich nicht erreichen.
Dieses geordnete Muster ist jedoch nicht statisch. Die Davidstern-Cluster können gemeinsam schwingen und dabei die Stärke (oder Amplitude) der CDW periodisch modulieren: Physiker bezeichnen diese koordinierte Bewegung als Amplitudon. Eine zentrale Frage lautet daher: Kann diese eigentümliche Schwingung die anderen Schwingungen des Kristalls beeinflussen, und wenn ja, wie?
Um dies zu beantworten, nutzte das Team die helizitätsaufgelöste Lichtstreuung, eine Technik, die misst, wie Kristallschwingungen auf Licht mit genau definierter Helizität reagieren, d. h. mit im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn rotierender Polarisation. Bei der Anwendung dieses Ansatzes auf ferroaxiale Kristalle stellten die Forscher fest, dass bestimmte Schwingungen stärker reagieren, wenn die Helizität des Lichts mit der des Kristalls übereinstimmt, was zu einem Intensitätsungleichgewicht zwischen den beiden Polarisationen führt.
„Indem wir untersuchen, wie Schwingungen auf links- und rechtszirkular polarisiertes Licht reagieren, können wir die Helizität der CDW erkennen und einzelne ferroaxiale Domänen abbilden“, erklärt Xinyue Peng, Doktorand an der UT Austin.
Durch Variieren der Temperatur konnten die Forscher die Energie des Amplitudons abstimmen. Das Ungleichgewicht zwischen links- und rechtsdrehenden Reaktionen war unter einer bestimmten Bedingung am stärksten: wenn die Energie einer gewöhnlichen Schwingung mit der des Amplitudons übereinstimmte.
„Wenn diese beiden Energien übereinstimmen, ändert sich die Schwingungsreaktion“, sagt Francesco Barantani, einer der Hauptautoren der Arbeit. „Unsere Beobachtungen zeigen, dass CDW-Fluktuationen Kristallschwingungen aktiv miteinander verbinden können, die die Symmetrie normalerweise voneinander trennen würde.“
Um diese Ergebnisse zu erklären, entwickelte das Team in der Gruppe von Angel Rubio am MPSD in Hamburg in Zusammenarbeit mit Lara Benfatto von der Universität La Sapienza in Rom eine mikroskopische Theorie.
„Das Amplitudon fungiert als resonante Brücke zwischen Schwingungen unterschiedlicher Symmetrie und verbindet die niedrigere Energie der atomaren Bewegungen mit der höheren Energie des elektronischen Sektors“, fügt der Theoretiker Emil Viñas Boström hinzu.
Zusätzliche Messungen der Gruppe um Michael Rübhausen an der Universität Hamburg bestätigten die Robustheit des Modells. Da der Effekt bei Raumtemperatur auftritt, bietet das resonante chirale Dressing einen praktischen neuen Weg, um ferroaxiale Zustände zu untersuchen und möglicherweise zu steuern. Auf bestimmte Energien abgestimmte ultrakurze Laserpulse könnten selektiv Wechselwirkungen aktivieren, die die Symmetrie normalerweise verbieten würde. Der Ansatz weist auf neue Wege hin, Quantenzustände in einer breiten Klasse von Materialien zu manipulieren.
Emil Viñas Boström - emil.vinas-bostrom@mpsd.mpg.de
Angel Rubio - angel.rubio@mpsd.mpg.de
https://www.nature.com/articles/s41567-026-03241-3
https://www.mpsd.mpg.de/1188400/2026-05-bostroem-rubio-nature-physics
Beleuchtet man den Kristall mit Licht, das eine eingebaute Drehbewegung aufweist (weißer Lichtstrah ...
Source: Jörg M. Harms
Copyright: Jörg M. Harms
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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