Wetenschap
Topologische fononen:waar trillingen hun draai vinden
Een internationaal team van onderzoekers heeft ontdekt dat de kwantumdeeltjes die verantwoordelijk zijn voor de trillingen van materialen – die hun stabiliteit en diverse andere eigenschappen beïnvloeden – kunnen worden geclassificeerd via topologie.
Fononen, de collectieve trillingsmodi van atomen binnen een kristalrooster, genereren verstoringen die zich als golven voortplanten door naburige atomen. Deze fononen zijn van vitaal belang voor veel eigenschappen van vaste-stofsystemen, waaronder thermische en elektrische geleidbaarheid, neutronenverstrooiing en kwantumfasen zoals ladingsdichtheidsgolven en supergeleiding.
Het spectrum van fononen – in wezen de energie als een functie van momentum – en hun golffuncties, die hun waarschijnlijkheidsverdeling in de reële ruimte vertegenwoordigen, kunnen worden berekend met behulp van ab initio first principe-codes. Deze berekeningen ontberen tot nu toe echter een verenigend principe.
“Voor het kwantumgedrag van elektronen heeft de topologie – een tak van de wiskunde – met succes de elektronische banden in materialen geclassificeerd. Deze classificatie laat zien dat materialen, die misschien verschillend lijken, in werkelijkheid erg op elkaar lijken. We hebben al catalogi van elektronisch topologisch gedrag, vergelijkbaar naar een periodiek systeem van verbindingen Dit bracht ons uiteraard tot de vraag:kan de topologie ook fononen karakteriseren? legt B. Andrei Bernevig uit, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Princeton, gastprofessor aan het DIPC en een van de auteurs van het onderzoek.
Dat blijkt uit een onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Science heeft een internationaal team van Princeton University, Zhejiang University, DIPC, ENS-CNRS, Max Planck Institute en de Universiteit van Baskenland ontdekt dat een breed scala aan materialen topologische fononen kunnen herbergen.
Topologie, de studie van eigenschappen die behouden blijven door continue vervormingen, wordt gebruikt om verdeelstukken te karakteriseren. Een Mobius-strook onderscheidt zich bijvoorbeeld van een gewone strook door een draaiing, en een donut verschilt van een bol door een gat; deze kunnen niet in elkaar worden omgezet zonder het verdeelstuk door te snijden.
"We berekenden eerst de fononbanden van duizenden kwantummaterialen, identificeerden hun golffuncties en karakteriseerden ze aan de hand van hun symmetrieën, die een soort lokale structuur van de fononen verschaffen", zegt Yuanfeng Xu, de eerste auteur van de studie en professor aan de universiteit van Zhejiang. Universiteit. "Nadat we deze stap hadden voltooid, hebben we topologie gebruikt om het globale gedrag van de fononbanden te classificeren", voegde hij eraan toe.
Verschillende databases met fononstructuren zijn minutieus geanalyseerd, waaruit blijkt dat ten minste de helft van de materialen ten minste één niet-atomaire cumulatieve fononische bandset vertoont. Het team hanteerde een formalisme dat vergelijkbaar was met het formalisme dat is ontwikkeld voor het karakteriseren van elektronische banden, zoals uiteengezet in hun eerdere werk over Topological Quantum Chemistry (TQC).
Een internationaal team van wetenschappers van de Princeton University, het Donostia International Physics Center (DIPC), de Universiteit van Baskenland (UPV/EHU), het Max Planck Instituut, l'Ecole Normale Supérieure, de CNRS en de Universiteit van Zhejiang hebben verschillende fonondatabases en voorspel het bestaan van topologische fononen in ongeveer 5000 materialen.
Fononen bieden een nieuwe weg voor het bereiken van niet-triviale bandtopologieën in vastestofmaterialen, wat mogelijk kan leiden tot oppervlaktetoestanden van fononen die elektronische oppervlaktetoestanden kunnen aanvullen of verbeteren.
"De robuustheid van de topologische fonontoestanden op het oppervlak kan worden benut voor toepassingen zoals frequentiefiltering of mechanische energieverzwakking onder imperfecte omstandigheden, maar ook voor warmteoverdracht en infraroodfoto-elektronica. Topologische fononen kunnen ook de weg vrijmaken voor het creëren van fonondiodes of akoestische golfgeleiders, " legde Nicolas Regnault uit, een professor bij ENS-CNRS en een van de corresponderende auteurs van het onderzoek.
Bij het analyseren van gegevens van meer dan tienduizend materialen, verzameld uit ab-initio-berekeningen en opgeslagen in databases zoals PhononDB@kyoto-u en het Materials Project, ontdekten ze dat 50% van de materialen minstens één niet-triviale leemte vertoont.
"De tools voor deze berekeningen worden gehost op de Bilbao Crystallographic Server", aldus Luis Elcoro, professor aan de Universiteit van Baskenland en een andere corresponderende auteur.
"Zodra de symmetrie-eigenwaarden van de banden zijn bepaald, kunnen alle soorten symmetrie-geïndiceerde fonontopologieën met deze tools worden geïdentificeerd. TQC heeft bewezen een universeel formalisme te zijn voor het identificeren van topologische eigenschappen in roosters", voegde hij eraan toe. Elcoro vermeldde ook dat "na het ontwikkelen van de theorie en het implementeren ervan in computercodes, de topologische diagnosehulpmiddelen publiekelijk beschikbaar zijn gemaakt op de website, waardoor iedereen onze bevindingen kan verifiëren, herinterpreteren of uitbreiden."
"We hebben meer topologische structuren in fononen ontdekt dan we aanvankelijk hadden verwacht, en we verwachten dat topologische fononen zullen leiden tot rijke en onconventionele fysica, net zoals topologische elektronen dat hebben gedaan", zegt Maia G. Vergniory, professor bij DIPC en Max Planck in Dresden.
Ze benadrukte het belang van het valideren van voorspellingen voor materialen die topologische fononen herbergen, en merkte op dat "dergelijke experimenten misschien een grotere uitdaging zijn dan die voor elektronische topologie, vanwege een gebrek aan directe beeldvormingstechnieken." De fononen zijn gecatalogiseerd in een openbare opslagplaats, waar onderzoekers toegang hebben tot specifiek materiaal.
"Elke fononische oppervlaktetoestand wordt in deze database vermeld; de volgende stap zou zijn dat experimentatoren deze zouden meten", aldus Nicolas Regnault, die de cruciale rol van experimentele verificatie benadrukt bij het bevorderen van het veld.
Het team voorziet nieuwe natuurkunde die kan voortkomen uit de koppeling tussen topologische elektronen en fononen. Als topologische elektronenoppervlaktoestanden naast fononische toestanden bestaan, zou dit een sterke elektron-fononkoppeling op het oppervlak kunnen vergemakkelijken – hoewel mogelijk niet in de bulk – wat mogelijk kan leiden tot supergeleiding aan het oppervlak.
"We moeten ons nu verdiepen in het begrijpen van de invloed van de topologie op de elektron-fonon-koppeling", concludeerde Bernevig, waarbij hij de volgende stappen in hun onderzoek benadrukte.