Topologiske fononer:Hvor vibrationer finder deres twist

Et internationalt hold af forskere har opdaget, at de kvantepartikler, der er ansvarlige for vibrationer af materialer - som påvirker deres stabilitet og forskellige andre egenskaber - kan klassificeres gennem topologi.

Fononer, de kollektive vibrationstilstande af atomer i et krystalgitter, genererer forstyrrelser, der forplanter sig som bølger gennem naboatomer. Disse fononer er afgørende for mange egenskaber ved faststofsystemer, herunder termisk og elektrisk ledningsevne, neutronspredning og kvantefaser som ladningstæthedsbølger og superledning.

Spektret af fononer - i det væsentlige energien som en funktion af momentum - og deres bølgefunktioner, som repræsenterer deres sandsynlighedsfordeling i det reelle rum, kan beregnes ved at bruge ab initio første principkoder. Disse beregninger har dog hidtil manglet et samlende princip.

"For elektronernes kvanteadfærd har topologi - en gren af ​​matematikken - med succes klassificeret de elektroniske bånd i materialer. Denne klassificering viser, at materialer, som kan virke forskellige, faktisk er meget ens. Vi har allerede kataloger over elektronisk topologisk adfærd, beslægtet med til et periodisk system af forbindelser. Det fik os naturligvis til at stille spørgsmålet:Kan topologi også karakterisere fononer? forklarede B. Andrei Bernevig, professor i fysik ved Princeton University, gæsteprofessor ved DIPC og en af ​​undersøgelsens forfattere.

I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Science , et internationalt team fra Princeton University, Zhejiang University, DIPC, ENS-CNRS, Max Planck Institute og University of the Basque Country afslørede, at en bred vifte af materialer kunne være vært for topologiske fononer.

Topologi, studiet af egenskaber bevaret gennem kontinuerlige deformationer, bruges til at karakterisere manifolder. For eksempel skelnes en Mobius-strimmel fra en almindelig strimmel ved et snoning, og en donut adskiller sig fra en kugle ved et hul; disse kan ikke omdannes til hinanden uden at skære i manifolden.

"Vi beregnede først fononbåndene af tusindvis af kvantematerialer, identificerede deres bølgefunktioner og karakteriserede dem ved deres symmetrier, som giver en slags lokal struktur af fononerne," sagde Yuanfeng Xu, den første forfatter til undersøgelsen og professor ved Zhejiang Universitet. "Efter at have fuldført dette trin, brugte vi topologi til at klassificere den globale opførsel af fononbåndene," tilføjede han.

Adskillige fononstrukturdatabaser er blevet omhyggeligt analyseret, hvilket afslører, at mindst halvdelen af ​​materialerne udviser mindst ét ​​ikke-atomart kumulativt fononbåndsæt. Holdet anvendte en formalisme svarende til den, der blev udviklet til at karakterisere elektroniske bands, som beskrevet i deres tidligere arbejde om Topologisk kvantekemi (TQC).

Et internationalt hold af forskere fra Princeton University, Donostia International Physics Center (DIPC), University of the Basque Country (UPV/EHU), Max Planck Institute, l'Ecole Normale Supérieure, CNRS og Zhejiang University har scannet flere fonondatabaser og forudsige eksistensen af ​​topologiske fononer i ca. 5000 materialer.

Fononer tilbyder en ny mulighed for at opnå ikke-trivielle båndtopologier i faststofmaterialer, hvilket potentielt kan føre til fononoverfladetilstande, der kan komplementere eller forbedre elektroniske overfladetilstande.

"Robustheden af ​​de topologiske overfladefonontilstande kan udnyttes til applikationer som frekvensfiltrering eller mekanisk energidæmpning under ufuldkomne forhold, såvel som til varmeoverførsel og infrarød fotoelektronik. Topologiske fononer kan også bane vejen for at skabe fonondioder eller akustiske bølgeledere, " forklarede Nicolas Regnault, professor ved ENS-CNRS og en af ​​de tilsvarende forfattere til undersøgelsen.

Ved at analysere data fra over ti tusinde materialer, indsamlet fra ab-initio-beregninger og gemt i databaser som PhononDB@kyoto-u og Materials Project, fandt de ud af, at 50 % af materialerne udviser mindst ét ​​ikke-trivielt hul.

"Værktøjerne til disse beregninger er hostet på Bilbaos krystallografiske server," oplyste Luis Elcoro, professor ved universitetet i Baskerlandet og en anden tilsvarende forfatter.

"Når først symmetriegenværdierne for båndene er bestemt, kan alle typer symmetri-indikerede fonontopologier identificeres ved hjælp af disse værktøjer. TQC har vist sig at være en universel formalisme til at identificere topologiske egenskaber i gitter," tilføjede han. Elcoro nævnte også, at "efter at have udviklet teorien og implementeret den i computerkoder, er de topologiske diagnoseværktøjer blevet gjort offentligt tilgængelige på webstedet, hvilket giver enhver mulighed for at verificere, genfortolke eller udvide vores resultater."

"Vi opdagede flere topologiske strukturer i fononer, end vi oprindeligt forventede, og vi forventer, at topologiske fononer vil føre til rig og ukonventionel fysik, ligesom topologiske elektroner har," udtalte Maia G. Vergniory, professor ved DIPC og Max Planck i Dresden.

Hun understregede vigtigheden af ​​at validere forudsigelser for materialer, der hoster topologiske fononer, og bemærkede, at "sådanne eksperimenter kan være mere udfordrende end dem for elektronisk topologi, på grund af mangel på direkte billeddannelsesteknikker." Fononerne er blevet katalogiseret i et offentligt depot, hvor forskere kan få adgang til specifikke materialer.

"Hver fononisk overfladetilstand er opført i denne database; næste trin ville være for eksperimentel at måle dem," nævnte Nicolas Regnault og fremhævede den afgørende rolle, som eksperimentel verifikation spiller for at fremme feltet.

Holdet forestiller sig ny fysik, der kan opstå fra koblingen mellem topologiske elektroner og fononer. Hvis topologiske elektronoverfladetilstande eksisterer sideløbende med fononiske, kan dette lette stærk elektron-fonon-kobling på overfladen – dog potentielt ikke i hovedparten – hvilket potentielt kan føre til overfladesuperledning.

"Vi skal nu dykke ned i at forstå topologiens indflydelse på elektron-fonon-kobling," konkluderede Bernevig og fremhævede de næste trin i deres forskning.

Flere oplysninger: Yuanfeng Xu et al., Katalog over topologiske fononmaterialer, Videnskab (2024). DOI:10.1126/science.adf8458. www.science.org/doi/10.1126/science.adf8458

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Elhuyar Fundazioa