Onderzoekers van het MIT en elders hebben voor het eerst een exotisch natuurkundig fenomeen gevonden dat bekend staat als een Kohn-anomalie in een onverwacht soort materiaal. Ze zeggen dat de bevinding nieuwe inzichten kan bieden in bepaalde fundamentele processen die helpen bepalen waarom metalen en andere materialen de complexe elektronische eigenschappen vertonen die ten grondslag liggen aan veel van de huidige technologie.

De manier waarop elektronen interageren met fononen - in wezen trillingen die door een kristallijn materiaal gaan - bepaalt de fysieke processen die plaatsvinden in veel elektronische apparaten. Deze interacties beïnvloeden de manier waarop metalen elektrische stroom weerstaan, de temperatuur waarbij sommige materialen plotseling supergeleiders worden, en de zeer lage temperatuurvereisten voor kwantumcomputers, tussen vele andere processen.

Maar elektron-fonon-interacties waren moeilijk in detail te bestuderen omdat ze over het algemeen erg zwak zijn. De nieuwe studie heeft een nieuwe, sterkere soort ongewone elektron-fonon interactie:de onderzoekers veroorzaakten een Kohn-anomalie, waarvan eerder werd gedacht dat het alleen in metalen bestond, in een exotisch materiaal dat een topologisch Weyl-halfmetaal wordt genoemd. De bevinding zou licht kunnen werpen op belangrijke aspecten van het complexe samenspel tussen elektronen en fononen, ze zeggen.

De nieuwe vondst, gebaseerd op zowel theoretische voorspellingen als experimentele observatie, wordt deze week beschreven in het journaal Fysieke beoordelingsbrieven , in een paper van MIT-afgestudeerde studenten Thanh Nguyen en Nina Andrejevic, postdoc Ricardo Pablo-Pedro, Onderzoekswetenschapper Fei Han, Professor Mingda Li, en 14 anderen aan het MIT en verschillende andere universiteiten en nationale laboratoria.

Kohn-afwijkingen, voor het eerst ontdekt in de jaren vijftig door natuurkundige Walter Kohn, weerspiegelen een plotselinge verandering, soms beschreven als een soort knik of wiebel, in de grafiek die een fysieke parameter beschrijft die de elektronenresponsfunctie wordt genoemd. Deze discontinuïteit in een overigens vloeiende curve weerspiegelt een plotselinge verandering van het vermogen van elektronen om fononen af ​​te schermen. Dit kan leiden tot instabiliteiten in de voortplanting van elektronen door het materiaal, en kan leiden tot veel nieuwe elektronische eigenschappen.

Deze afwijkingen zijn eerder waargenomen in bepaalde metalen en in andere sterk elektrisch geleidende materialen zoals grafeen, maar was nog nooit eerder gezien of voorspeld in een "topologisch materiaal, " waarvan het elektrische gedrag robuust is tegen verstoring. In dit geval, een soort topologisch materiaal dat een Weyl-halfmetaal wordt genoemd, specifiek tantaalfosfide, bleek in staat deze ongewone anomalie te vertonen. In tegenstelling tot conventionele metalen, waar een eigenschap genaamd het Fermi-oppervlak de vorming van de Kohn-anomalie drijft, in dit materiaal, de Weylpunten dienen als drijvende kracht.

Omdat elektron-fononkoppelingen vrijwel altijd overal plaatsvinden, ze kunnen een belangrijke bron van verstoring zijn in delicate fysieke systemen zoals die worden gebruikt om gegevens in kwantumcomputers weer te geven. Het meten van de sterkte van deze interacties, wat essentieel is om te weten hoe dergelijke op kwantum gebaseerde technologieën kunnen worden beschermd, is heel moeilijk geweest, maar deze nieuwe vondst, Li zegt, biedt een manier om dergelijke metingen te doen. "De Kohn-anomalie kan worden gebruikt om te kwantificeren hoe sterk de elektron-fononkoppeling kan zijn, " hij zegt.

Om de interacties te meten, het team maakte gebruik van geavanceerde neutronen- en röntgenverstrooiingssondes in drie nationale laboratoria:Argonne National Laboratory, Oak Ridge Nationaal Laboratorium, en het National Institute of Standards and Technology - om het gedrag van het tantaalfosfidemateriaal te onderzoeken. "We voorspelden dat er een Kohn-afwijking in het materiaal is, alleen gebaseerd op pure theorie, "Li legt uit, Met behulp van hun berekeningen, "we zouden de experimenten kunnen leiden tot het punt waarop we naar het fenomeen willen zoeken, en we zien een zeer goede overeenkomst tussen theorie en experimenten."

Martijn Greven, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Minnesota die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt dat dit werk "een indrukwekkende breedte en diepte heeft, die zowel geavanceerde theorie als verstrooiingsexperimenten omvat. Het is baanbrekend in de fysica van de gecondenseerde materie, in die zin dat het een nieuw soort Kohn-anomalie veroorzaakt."

Een beter begrip van de elektron-fononkoppelingen zou de weg kunnen wijzen naar de ontwikkeling van materialen als betere supergeleiders voor hoge temperaturen of fouttolerante kwantumcomputers, zeggen de onderzoekers. Deze nieuwe tool kan worden gebruikt om materiaaleigenschappen te onderzoeken op zoek naar die eigenschappen die relatief onaangetast blijven bij hogere temperaturen.

Brent Fultz, hoogleraar materiaalkunde en toegepaste natuurkunde aan Caltech, die ook niet bij dit werk betrokken was, voegt eraan toe dat "misschien deze effecten zullen helpen bij de ontwikkeling van materialen met nieuwe thermische of elektronische eigenschappen, maar omdat ze zo nieuw zijn, we hebben tijd nodig om na te denken over wat ze kunnen doen."

Nguyen, hoofdauteur van de krant, zegt dat hij denkt dat dit werk helpt om het soms over het hoofd geziene belang van fononen in het gedrag van topologische materialen aan te tonen. Materialen zoals deze, waarvan de oppervlakte-elektrische eigenschappen verschillen van die van het stortgoed, zijn een hot gebied van huidig ​​​​onderzoek. "Ik denk dat dit ertoe kan leiden dat we processen beter begrijpen die ten grondslag liggen aan sommige van deze materialen die veel beloven voor de toekomst, " zegt Andrejevic, die samen met Han een co-hoofdauteur op het papier was.

"Hoewel al lang bekend is dat elektron-fonon-interactie bestaat, de experimentele voorspelling en observatie van deze interacties is buitengewoon zeldzaam, ", zegt hoogleraar natuurkunde en astronomie Pengcheng Dai aan de Rice University, die ook niet bij dit werk betrokken was. deze resultaten, hij zegt, "een uitstekende demonstratie geven van de kracht van gecombineerde theorie en experimenten als een manier om ons begrip van deze exotische materialen uit te breiden."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.