El diagrama muestra las diferentes condiciones que dan lugar a una anomalía de Kohn en metales ordinarios (a la izquierda), versus un material llamado semimetal Weyl (a la derecha). El eje vertical muestra energía, mientras que el eje horizontal es el espacio de impulso. En el metal convencional, una anomalía de Kohn puede ocurrir cuando un fonón (q) une dos partes de una propiedad llamada superficie de Fermi, que se muestra en azul. En el semimetal Weyl, la anomalía de Kohn surge cuando el fonón une dos puntos Weyl separados (kw1-kw2). Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
Un exótico fenómeno físico conocido como anomalía de Kohn ha sido encontrado por primera vez en un tipo inesperado de material por investigadores del MIT y otros lugares. Dicen que el hallazgo podría proporcionar nuevos conocimientos sobre ciertos procesos fundamentales que ayudan a determinar por qué los metales y otros materiales muestran las complejas propiedades electrónicas que subyacen a gran parte de la tecnología actual.
La forma en que los electrones interactúan con los fonones, que son esencialmente vibraciones que pasan a través de un material cristalino, determina los procesos físicos que tienen lugar dentro de muchos dispositivos electrónicos. Estas interacciones afectan la forma en que los metales resisten la corriente eléctrica, la temperatura a la que algunos materiales se convierten repentinamente en superconductores, y los requisitos de temperatura muy baja para las computadoras cuánticas, entre muchos otros procesos.
Pero las interacciones electrón-fonón han sido difíciles de estudiar en detalle porque generalmente son muy débiles. El nuevo estudio ha encontrado un nuevo tipo más fuerte de interacción inusual electrón-fonón:los investigadores indujeron una anomalía de Kohn, que anteriormente se pensaba que existía solo en metales, en un material exótico llamado semimetal de Weyl topológico. El hallazgo podría ayudar a arrojar luz sobre aspectos importantes de la compleja interacción entre electrones y fonones, ellos dicen.
El nuevo hallazgo basado tanto en predicciones teóricas como en observaciones experimentales, se describe esta semana en la revista Cartas de revisión física , en un artículo de los estudiantes graduados del MIT Thanh Nguyen y Nina Andrejevic, postdoctorado Ricardo Pablo-Pedro, Investigador científico Fei Han, Profesora Mingda Li, y otros 14 en el MIT y varias otras universidades y laboratorios nacionales.
Anomalías de Kohn, descubierto por primera vez en la década de 1950 por el físico Walter Kohn, reflejar un cambio repentino, a veces descrito como una especie de retorcimiento o contoneo, en el gráfico que describe un parámetro físico llamado función de respuesta electrónica. Esta discontinuidad en una curva por lo demás suave refleja un cambio repentino en la capacidad de los electrones para proteger los fonones. Esto puede dar lugar a inestabilidades en la propagación de electrones a través del material, y puede dar lugar a muchas propiedades electrónicas nuevas.
Estas anomalías se han observado antes en ciertos metales y en otros materiales altamente conductores de electricidad como el grafeno, pero nunca antes se había visto o predicho en un "material topológico, "cuyos comportamientos eléctricos son resistentes a las perturbaciones. En este caso, una especie de material topológico llamado semimetal de Weyl, específicamente fosfuro de tantalio, se encontró que era capaz de exhibir esta anomalía inusual. A diferencia de los metales convencionales, donde una propiedad llamada superficie de Fermi impulsa la formación de la anomalía de Kohn, en este material, los puntos de Weyl sirven como fuerza motriz.
Debido a que los acoplamientos entre electrones y fonones tienen lugar prácticamente en todas partes todo el tiempo, pueden ser una fuente importante de perturbaciones en sistemas físicos delicados como los que se utilizan para representar datos en computadoras cuánticas. Midiendo la fuerza de estas interacciones, que es clave para saber cómo proteger estas tecnologías cuánticas, ha sido muy dificil, pero este nuevo hallazgo, Li dice:proporciona una forma de realizar tales mediciones. "La anomalía de Kohn se puede utilizar para cuantificar qué tan fuerte puede ser el acoplamiento electrón-fonón, " él dice.
Para medir las interacciones, el equipo utilizó sondas avanzadas de dispersión de rayos X y neutrones en tres laboratorios nacionales:el Laboratorio Nacional Argonne, Laboratorio Nacional Oak Ridge, y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, para investigar el comportamiento del material de fosfuro de tantalio. "Predijimos que hay una anomalía de Kohn en el material basándonos simplemente en la teoría pura, "Li explica, Usando sus cálculos, "Podríamos guiar los experimentos hasta el punto en el que queramos buscar el fenómeno, y vemos una muy buena concordancia entre la teoría y los experimentos ".
Martin Greven, un profesor de física en la Universidad de Minnesota que no participó en esta investigación, dice que este trabajo "tiene una amplitud y profundidad impresionantes, que abarca tanto la teoría sofisticada como los experimentos de dispersión. Abre nuevos caminos en la física de la materia condensada, en el sentido de que establece un nuevo tipo de anomalía de Kohn ".
Una mejor comprensión de los acoplamientos electrón-fonón podría ayudar a abrir el camino hacia el desarrollo de materiales como mejores superconductores de alta temperatura o computadoras cuánticas tolerantes a fallas. dicen los investigadores. Esta nueva herramienta podría usarse para sondear las propiedades de los materiales en busca de aquellos que permanezcan relativamente inalterados a temperaturas más altas.
Brent Fultz, profesor de ciencia de materiales y física aplicada en Caltech, que tampoco estuvo involucrado en este trabajo, añade que "quizás estos efectos ayuden al desarrollo de materiales con nuevas propiedades térmicas o electrónicas, pero como son tan nuevos, necesitamos tiempo para pensar en lo que pueden hacer ".
Nguyen, el autor principal del artículo, dice que cree que este trabajo ayuda a demostrar la importancia que a veces se pasa por alto de los fonones en el comportamiento de los materiales topológicos. Materiales como estos, cuyas propiedades eléctricas superficiales son diferentes de las del material a granel, son un área candente de investigación actual. "Creo que esto podría llevarnos a comprender mejor los procesos que subyacen a algunos de estos materiales que son muy prometedores para el futuro, "dice Andrejevic, quien, junto con Han, fue coautor principal del artículo.
"Aunque se sabe desde hace mucho tiempo que existe la interacción electrón-fonón, la predicción experimental y la observación de estas interacciones es extremadamente rara, "dice el profesor de física y astronomía Pengcheng Dai en la Universidad de Rice, quien tampoco estuvo involucrado en este trabajo. Estos resultados, él dice, "proporcionan una excelente demostración del poder de la teoría y los experimentos combinados como una forma de ampliar nuestra comprensión de estos materiales exóticos".
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
