Ett internationellt team av forskare har upptäckt att de kvantpartiklar som är ansvariga för vibrationerna hos material – som påverkar deras stabilitet och olika andra egenskaper – kan klassificeras genom topologi.
Fononer, atomernas kollektiva vibrationssätt inom ett kristallgitter, genererar störningar som fortplantar sig som vågor genom angränsande atomer. Dessa fononer är avgörande för många egenskaper hos fasta tillståndssystem, inklusive termisk och elektrisk ledningsförmåga, neutronspridning och kvantfaser som laddningstäthetsvågor och supraledning.
Spektrum av fononer – huvudsakligen energin som en funktion av momentum – och deras vågfunktioner, som representerar deras sannolikhetsfördelning i det verkliga rummet, kan beräknas med hjälp av ab initio första principkoder. Dessa beräkningar har dock hittills saknat en samlande princip.
"För elektronernas kvantbeteende har topologi - en gren av matematiken - framgångsrikt klassificerat de elektroniska banden i material. Denna klassificering visar att material, som kan verka olika, faktiskt är väldigt lika. Vi har redan kataloger över elektroniska topologiska beteenden, liknande till ett periodiskt system av föreningar Naturligtvis ledde detta oss till frågan:Kan topologi också karakterisera fononer? förklarade B. Andrei Bernevig, professor i fysik vid Princeton University, gästprofessor vid DIPC och en av studiens författare.
I en studie publicerad i tidskriften Science , ett internationellt team från Princeton University, Zhejiang University, DIPC, ENS-CNRS, Max Planck Institute och University of the Baskien upptäckte att ett brett utbud av material kunde vara värd för topologiska fononer.
Topologi, studiet av egenskaper som bevaras genom kontinuerliga deformationer, används för att karakterisera grenrör. Till exempel skiljs en Mobius-remsa från en vanlig remsa genom en vridning, och en munk skiljer sig från en sfär genom ett hål; dessa kan inte omvandlas till varandra utan att skära av grenröret.
"Vi beräknade först fononbanden för tusentals kvantmaterial, identifierade deras vågfunktioner och karakteriserade dem genom deras symmetrier, vilket ger en slags lokal struktur för fononerna", säger Yuanfeng Xu, studiens första författare och professor vid Zhejiang Universitet. "Efter att ha slutfört detta steg använde vi topologi för att klassificera fononbandens globala beteende", tillade han.
Flera fononstrukturdatabaser har noggrant analyserats och avslöjat att minst hälften av materialen uppvisar minst en icke-atomär kumulativ fononbanduppsättning. Teamet använde en formalism liknande den som utvecklats för att karakterisera elektroniska band, som beskrivs i deras tidigare arbete om Topologisk kvantkemi (TQC).
Ett internationellt team av forskare från Princeton University, Donostia International Physics Center (DIPC), University of the Baskien (UPV/EHU), Max Planck Institute, l'Ecole Normale Supérieure, CNRS och Zhejiang University har skannat flera fonondatabaser och förutsäga förekomsten av topologiska fononer i cirka 5000 material.
Fononer erbjuder en ny väg för att uppnå icke-triviala bandtopologier i solid state-material, vilket potentiellt leder till fononyttillstånd som kan komplettera eller förbättra elektroniska yttillstånd.
"Robustheten hos de topologiska ytfonontillstånden kan utnyttjas för tillämpningar som frekvensfiltrering eller mekanisk energidämpning under ofullkomliga förhållanden, såväl som för värmeöverföring och infraröd fotoelektronik. Topologiska fononer kan också bana väg för att skapa fonondioder eller akustiska vågledare, " förklarade Nicolas Regnault, professor vid ENS-CNRS och en av motsvarande författare till studien.
Genom att analysera data från över tio tusen material, insamlade från ab-initio-beräkningar och lagrade i databaser som PhononDB@kyoto-u och Materials Project, fann de att 50 % av materialen uppvisar minst en icke-trivial lucka.
"Verktygen för dessa beräkningar finns på Bilbaos kristallografiska server", informerade Luis Elcoro, professor vid universitetet i Baskien och en annan motsvarande författare.
"När väl symmetriegenvärdena för banden har bestämts kan alla typer av symmetriindikerade fonontopologier identifieras med dessa verktyg. TQC har visat sig vara en universell formalism för att identifiera topologiska egenskaper i gitter", tillade han. Elcoro nämnde också att "efter att ha utvecklat teorin och implementerat den i datorkoder, har de topologiska diagnosverktygen gjorts offentligt tillgängliga på webbplatsen, vilket gör det möjligt för vem som helst att verifiera, omtolka eller utöka våra resultat."
"Vi upptäckte fler topologiska strukturer i fononer än vi från början förväntade oss, och vi räknar med att topologiska fononer kommer att leda till rik och okonventionell fysik, ungefär som topologiska elektroner har", konstaterade Maia G. Vergniory, professor vid DIPC och Max Planck i Dresden.
Hon betonade vikten av att validera förutsägelser för material som är värd för topologiska fononer, och noterade att "sådana experiment kan vara mer utmanande än de för elektronisk topologi, på grund av bristen på direkta avbildningstekniker." Fononerna har katalogiserats i ett offentligt arkiv där forskare kan komma åt specifikt material.
"Varje fononisk yttillstånd är listad i den här databasen; nästa steg skulle vara för experimentalister att mäta dem", nämnde Nicolas Regnault och lyfte fram den avgörande roll som experimentell verifiering spelar för att utveckla fältet.
Teamet föreställer sig ny fysik som kan uppstå från kopplingen mellan topologiska elektroner och fononer. Om topologiska elektronyttillstånd samexisterar med fononiska, kan detta underlätta stark elektron-fonon-koppling på ytan – men potentiellt inte i bulken – vilket potentiellt kan leda till ytsupraledning.
"Vi måste nu fördjupa oss i förståelsen av topologins inverkan på elektron-fononkoppling," avslutade Bernevig och lyfte fram nästa steg i deras forskning.
Mer information: Yuanfeng Xu et al, Katalog över topologiska fononmaterial, Vetenskap (2024). DOI:10.1126/science.adf8458. www.science.org/doi/10.1126/science.adf8458
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Elhuyar Fundazioa
