Ett exotiskt fysiskt fenomen som kallas en Kohn -anomali har hittats för första gången i en oväntad typ av material av forskare vid MIT och på andra håll. De säger att fyndet kan ge ny inblick i vissa grundläggande processer som hjälper till att avgöra varför metaller och andra material visar de komplexa elektroniska egenskaper som ligger till grund för mycket av dagens teknik.

Hur elektroner interagerar med fononer - som i huvudsak är vibrationer som passerar genom ett kristallint material - bestämmer de fysiska processer som äger rum inuti många elektroniska enheter. Dessa interaktioner påverkar hur metaller motstår elektrisk ström, temperaturen vid vilken vissa material plötsligt blir supraledare, och de mycket låga temperaturkraven för kvantdatorer, bland många andra processer.

Men elektron-fonon-interaktioner har varit svåra att studera i detalj eftersom de i allmänhet är mycket svaga. Den nya studien har hittat en ny, starkare sorts ovanlig elektron-fonon-interaktion:Forskarna inducerade en Kohn-anomali, som tidigare antogs existera bara i metaller, i ett exotiskt material som kallas en topologisk Weyl -halvmetall. Fyndet kan hjälpa till att belysa viktiga aspekter av det komplexa samspelet mellan elektroner och fononer, de säger.

Det nya fyndet, baserat på både teoretiska förutsägelser och experimentell observation, beskrivs i veckan i tidningen Fysiska granskningsbrev , i en uppsats av MIT -doktorander Thanh Nguyen och Nina Andrejevic, postdoc Ricardo Pablo-Pedro, Forskare Fei Han, Professor Mingda Li, och 14 andra vid MIT och flera andra universitet och nationella laboratorier.

Kohn -avvikelser, upptäcktes först på 1950 -talet av fysikern Walter Kohn, återspeglar en plötslig förändring, ibland beskrivs som ett slags knark eller vift, i grafen som beskriver en fysisk parameter som kallas elektronresponsfunktionen. Denna diskontinuitet i en annars mjuk kurva speglar en plötslig förändring av elektronernas förmåga att skydda fononer. Detta kan ge upphov till instabilitet vid förökning av elektroner genom materialet, och kan leda till många nya elektroniska egenskaper.

Dessa avvikelser har observerats tidigare i vissa metaller och i andra mycket elektriskt ledande material som grafen, men hade aldrig setts eller förutsagts tidigare i ett "topologiskt material, "vars elektriska beteenden är robusta mot störningar. I det här fallet, ett slags topologiskt material som kallas Weyl semimetal, specifikt tantalfosfid, befanns kunna visa denna ovanliga anomali. Till skillnad från konventionella metaller, där en egenskap som kallas Fermi -ytan driver bildandet av Kohn -anomalin, i detta material, Weyl -punkterna fungerar som drivkraft.

Eftersom elektron-fononkopplingar sker praktiskt taget överallt hela tiden, de kan vara en stor källa till störningar i känsliga fysiska system som de som används för att representera data i kvantdatorer. Mäter styrkan i dessa interaktioner, som är nyckeln till att veta hur man skyddar sådan kvantbaserad teknik, har varit väldigt svårt, men detta nya fynd, Li säger, ger ett sätt att göra sådana mätningar. "Kohn-anomali kan användas för att kvantifiera hur stark elektron-fononkopplingen kan vara, " han säger.

För att mäta interaktionerna, laget använde avancerade neutron- och röntgenspridningssonder vid tre nationella laboratorier-Argonne National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory, och National Institute of Standards and Technology - för att undersöka beteendet hos tantalfosfidmaterialet. "Vi förutspådde att det finns en Kohn -anomali i materialet bara baserat på ren teori, "Li förklarar, Med hjälp av sina beräkningar, "vi kunde leda experimenten till den punkt där vi vill söka efter fenomenet, och vi ser en mycket bra överensstämmelse mellan teori och experimenten. "

Martin Greven, en professor i fysik vid University of Minnesota som inte var inblandad i denna forskning, säger att detta arbete "har imponerande bredd och djup, spänner över både sofistikerad teori och spridningsexperiment. Det bryter ny mark inom kondensmaterialets fysik, genom att det upprättar en ny typ av Kohn -anomali. "

En bättre förståelse av elektron-fononkopplingarna kan hjälpa till att utveckla material som bättre supraledare vid hög temperatur eller fultoleranta kvantdatorer, säger forskarna. Det här nya verktyget kan användas för att undersöka materialegenskaper på jakt efter de som förblir relativt opåverkade vid högre temperaturer.

Brent Fultz, professor i materialvetenskap och tillämpad fysik vid Caltech, som inte heller var inblandad i detta arbete, tillägger att "kanske dessa effekter hjälper utvecklingen av material med nya termiska eller elektroniska egenskaper, men eftersom de är så nya, vi behöver tid att tänka på vad de kan göra. "

Nguyen, tidningens huvudförfattare, säger att han tror att detta arbete hjälper till att demonstrera den ibland förbisedda vikten av fononer i beteendet hos topologiska material. Material som dessa, vars elektriska egenskaper hos ytan skiljer sig från bulkmaterialets, är ett hett område för aktuell forskning. "Jag tror att detta kan leda till att vi förstår processer som ligger till grund för några av dessa material som rymmer mycket lovande för framtiden, säger Andrejevic, som tillsammans med Han var en ledande författare på tidningen.

"Även om elektron-fonon-interaktion är känt länge, den experimentella förutsägelsen och observationen av dessa interaktioner är ytterst sällsynt, "säger professor i fysik och astronomi Pengcheng Dai vid Rice University, som inte heller var inblandad i detta arbete. Dessa resultat, han säger, "ge en utmärkt demonstration av kraften i kombinerad teori och experiment som ett sätt att utöka vår förståelse av dessa exotiska material."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.