Material med förbättrad värmeledningsförmåga är avgörande för utvecklingen av avancerade enheter för att stödja applikationer inom kommunikation, ren energi och flyg. Men för att konstruera material med denna egenskap måste forskare förstå hur fononer, eller kvantenheter av atomers vibration, beter sig i ett visst ämne.
"Fononer är ganska viktiga för att studera nya material eftersom de styr flera materialegenskaper som värmeledningsförmåga och bäraregenskaper", säger Fuyang Tay, en doktorand i tillämpad fysik som arbetar med Rice Advanced Magnet with Broadband Optics (RAMBO), en bordsspektrometer. i Junichiro Konos laboratorium vid Rice University. "Till exempel är det allmänt accepterat att supraledning uppstår från elektron-fonon-interaktioner.
"Nyligen har det funnits ett växande intresse för det magnetiska moment som bärs av fononlägen som visar cirkulär rörelse, även känd som kirala fononer. Men de mekanismer som kan leda till ett stort magnetiskt fononmoment är inte välkända."
Nu har ett internationellt team av forskare under ledning av Felix Hernandez från Brasiliens Universidade de São Paulo och Rice biträdande forskningsprofessor Andrey Baydin publicerat en studie som beskriver de intrikata kopplingarna mellan de magnetiska egenskaperna hos dessa kvantvirvlande dervischer och ett materials underliggande topologi av den elektroniska bandstrukturen , som bestämmer intervallet för energinivåer som elektroner har inom sig.
Detta fynd bidrar till den växande mängden kunskap om fononer och öppnar dörren inte bara för effektivare fononmanipulation via magnetfält, utan också för utveckling av avancerade material.
I en tidigare studie applicerade Baydin och kollegor ett magnetfält för att leda tellurid, ett enkelt halvledarmaterial. När de gjorde det såg de att fononerna slutade vibrera på ett linjärt sätt och blev kirala och rörde sig i en cirkulär rörelse.
"Chirala fononer interagerar med varandra annorlunda än fononer som rör sig linjärt," sa Baydin. "Om vi förstod egenskaperna hos dessa interaktioner skulle vi kunna använda dem. Olika egenskaper skulle kunna realisera olika potentiella tillämpningar i material."
Efter att ha noterat att kirala fononers magnetiska moment var ganska litet i materialet de först fokuserade på, undrade gruppen om en förändring av materialets topologi - eller elektroniska bandstruktur - skulle påverka magnetiska egenskaper. För att svara på denna fråga testade forskarna ett nytt material som kallas en kristallin topologisk isolator.
"Vi tog blytelluriden och lade till tenn till den," sa Baydin. "Om du lägger till tillräckligt mycket händer något som kallas bandinversion, vilket skapar topologiskt skyddade yttillstånd. Dessa material är fascinerande, eftersom de isolerar i bulk men har ledande elektroniska yttillstånd ⎯ en mycket lovande egenskap som skulle kunna utnyttjas i nya elektroniska enheter."
Ytterligare experiment visade att de kirala fononernas magnetiska moment var två storleksordningar större i det topologiska materialet än i materialet utan sådan elektronisk topologi.
"Våra fynd avslöjar övertygande nya insikter om de magnetiska egenskaperna hos fononer i detta material och betonar den invecklade kopplingen mellan de magnetiska egenskaperna hos kirala fononer och materialets underliggande elektroniska bandstrukturtopologi," sa Baydin. Han tillade att gruppen planerar att genomföra ytterligare experiment för att bättre förstå andra aspekter av fononbeteende i framtiden.
Tay tillade att dessa resultat, som visar att det magnetiska momentet för fononer är avsevärt förbättrat i topologiska material, kan hjälpa materialforskare att söka och designa material med större fononmagnetiska moment efter behov för olika enhetstillämpningar.
"Denna observation ger nya insikter om hur man kontrollerar och manipulerar fononegenskaper för att ändra värmeledningsförmåga," sa Tay. "Dessutom väcker samspelet mellan kirala fononer och elektronisk strukturtopologi möjligheten att den topologiska fasen kan påverkas genom att styra fononerna."
Mer information: Felix G. G. Hernandez et al, Observation of interplay between phonon chirity and electronic band topology, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj4074
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Rice University
