Nu heeft een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Felix Hernandez van de Braziliaanse Universidade de São Paulo en Rice assistent-onderzoeksprofessor Andrey Baydin een onderzoek gepubliceerd waarin de ingewikkelde verbanden tussen de magnetische eigenschappen van deze kwantumwervelende derwisjen en de onderliggende topologie van de elektronische bandstructuur van een materiaal worden beschreven. , die het bereik van de energieniveaus bepaalt die elektronen in zich hebben.

Deze bevinding draagt ​​bij aan de groeiende kennis over fononen en opent niet alleen de deur voor effectievere fononmanipulatie via magnetische velden, maar ook voor de ontwikkeling van geavanceerde materialen.

In een eerdere studie hebben Baydin en collega's een magnetisch veld toegepast op loodtelluride, een eenvoudig halfgeleidermateriaal. Toen ze dat deden, zagen ze dat de fononen ophielden met lineair trillen en chiraal werden, waarbij ze cirkelvormige bewegingen maakten.

"Chirale fononen interageren anders met elkaar dan fononen die lineair bewegen", zei Baydin. "Als we de eigenschappen van deze interacties zouden begrijpen, zouden we er gebruik van kunnen maken. Verschillende eigenschappen zouden verschillende potentiële toepassingen in materialen kunnen realiseren."

Nadat ze hadden opgemerkt dat het magnetische moment van chirale fononen vrij klein was in het materiaal waarop ze zich het eerst concentreerden, vroeg de groep zich af of het veranderen van de topologie van het materiaal (of de elektronische bandstructuur) invloed zou hebben op de magnetische eigenschappen. Om deze vraag te beantwoorden, testten de onderzoekers een nieuw materiaal, een kristallijne topologische isolator.

"We namen het leidende telluride en voegden er tin aan toe", zei Baydin. "Als je genoeg toevoegt, gebeurt er iets dat bandinversie wordt genoemd, waardoor topologisch beschermde oppervlaktetoestanden ontstaan. Deze materialen zijn fascinerend, omdat ze in bulk isoleren maar geleidende elektronische oppervlaktetoestanden hebben - een veelbelovend kenmerk dat zou kunnen worden benut in nieuwe elektronische apparaten."

Uit aanvullende experimenten bleek dat het magnetische moment van de chirale fononen twee ordes van grootte groter was in het topologische materiaal dan in het materiaal zonder een dergelijke elektronische topologie.

"Onze bevindingen onthullen overtuigende nieuwe inzichten in de magnetische eigenschappen van fononen in dit materiaal en benadrukken het ingewikkelde verband tussen de magnetische eigenschappen van chirale fononen en de onderliggende topologie van de elektronische bandstructuur van het materiaal", aldus Baydin. Hij voegde eraan toe dat de groep van plan is verdere experimenten uit te voeren om in de toekomst andere aspecten van fonongedrag beter te begrijpen.

Tay voegde eraan toe dat deze resultaten, die aantonen dat het magnetische moment van fononen aanzienlijk is verbeterd in topologische materialen, materiaalwetenschappers kunnen helpen bij het zoeken en ontwerpen van materialen met grotere magnetische fononmomenten, zoals nodig voor verschillende apparaattoepassingen.

"Deze observatie biedt nieuwe inzichten in hoe je fononeigenschappen kunt controleren en manipuleren om de thermische geleidbaarheid te veranderen," zei Tay. "Bovendien werpt de wisselwerking tussen chirale fononen en topologie van de elektronische structuur de mogelijkheid op dat de topologische fase kan worden beïnvloed door het controleren van de fononen."

Meer informatie: Felix G.G. Hernandez et al, Observatie van de wisselwerking tussen fononchiraliteit en elektronische bandtopologie, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj4074

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Rice University