Los fonones, los modos vibratorios colectivos de los átomos dentro de una red cristalina, generan perturbaciones que se propagan como ondas a través de los átomos vecinos. Estos fonones son vitales para muchas propiedades de los sistemas de estado sólido, incluida la conductividad térmica y eléctrica, la dispersión de neutrones y las fases cuánticas como las ondas de densidad de carga y la superconductividad.

El espectro de fonones (esencialmente la energía en función del momento) y sus funciones de onda, que representan su distribución de probabilidad en el espacio real, se pueden calcular utilizando códigos de primer principio ab initio. Sin embargo, estos cálculos hasta ahora han carecido de un principio unificador.

"Para el comportamiento cuántico de los electrones, la topología, una rama de las matemáticas, ha clasificado con éxito las bandas electrónicas en los materiales. Esta clasificación muestra que los materiales, que podrían parecer diferentes, en realidad son muy similares. Ya tenemos catálogos de comportamientos topológicos electrónicos, similares a una tabla periódica de compuestos Naturalmente, esto nos llevó a preguntarnos:¿puede la topología caracterizar también los fonones? explicó B. Andrei Bernevig, profesor de física en la Universidad de Princeton, profesor visitante en DIPC y uno de los autores del estudio.

En un estudio publicado en la revista Science , un equipo internacional de la Universidad de Princeton, la Universidad de Zhejiang, DIPC, ENS-CNRS, el Instituto Max Planck y la Universidad del País Vasco descubrieron que una amplia gama de materiales podrían albergar fonones topológicos.

La topología, el estudio de las propiedades conservadas mediante deformaciones continuas, se utiliza para caracterizar variedades. Por ejemplo, una tira de Mobius se distingue de una tira normal por un giro, y un donut se diferencia de una esfera por un agujero; estos no se pueden transformar entre sí sin cortar el colector.

"Primero calculamos las bandas de fonones de miles de materiales cuánticos, identificamos sus funciones de onda y las caracterizamos por sus simetrías, que proporcionan una especie de estructura local de los fonones", dijo Yuanfeng Xu, primer autor del estudio y profesor en Zhejiang. Universidad. "Después de completar este paso, empleamos topología para clasificar el comportamiento global de las bandas de fonones", añadió.

Se han analizado meticulosamente varias bases de datos de estructuras fonónicas, revelando que al menos la mitad de los materiales exhiben al menos un conjunto de bandas fonónicas acumulativas no atómicas. El equipo empleó un formalismo similar al desarrollado para caracterizar bandas electrónicas, como se describe en su trabajo anterior sobre Química Cuántica Topológica (TQC).

Un equipo internacional de científicos de la Universidad de Princeton, el Donostia International Physics Center (DIPC), la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), el Instituto Max Planck, la Escuela Normal Superior, el CNRS y la Universidad de Zhejiang han escaneado varios bases de datos de fonones y predicen la existencia de fonones topológicos en aproximadamente 5000 materiales.

Los fonones ofrecen una nueva vía para lograr topologías de bandas no triviales en materiales de estado sólido, lo que podría conducir a estados de superficie de fonones que podrían complementar o mejorar los estados de superficie electrónicos.

"La robustez de los estados topológicos de los fonones de superficie se puede aprovechar para aplicaciones como el filtrado de frecuencia o la atenuación de energía mecánica en condiciones imperfectas, así como para la transferencia de calor y la fotoelectrónica infrarroja. Los fonones topológicos también podrían allanar el camino para la creación de diodos de fonones o guías de ondas acústicas. " explicó Nicolas Regnault, profesor de la ENS-CNRS y uno de los autores correspondientes del estudio.

Al analizar datos de más de diez mil materiales, recopilados a partir de cálculos ab-initio y almacenados en bases de datos como PhononDB@kyoto-u y Materials Project, descubrieron que el 50 % de los materiales presentan al menos un espacio no trivial.

"Las herramientas para estos cálculos están alojadas en el Servidor Cristalográfico de Bilbao", informó Luis Elcoro, profesor de la Universidad del País Vasco y otro autor correspondiente.

"Una vez que se determinan los valores propios de simetría de las bandas, estas herramientas pueden identificar todos los tipos de topologías de fonones indicadas por simetría. TQC ha demostrado ser un formalismo universal para identificar propiedades topológicas en redes", añadió. Elcoro también mencionó que "después de desarrollar la teoría e implementarla en códigos informáticos, las herramientas de diagnóstico topológico se han puesto a disposición del público en el sitio web, lo que permite a cualquiera verificar, reinterpretar o ampliar nuestros hallazgos".

"Descubrimos más estructuras topológicas en los fonones de lo que esperábamos inicialmente, y anticipamos que los fonones topológicos conducirán a una física rica y no convencional, muy parecida a la que han tenido los electrones topológicos", afirmó Maia G. Vergniory, profesora del DIPC y Max Planck en Dresde.

Hizo hincapié en la importancia de validar las predicciones para materiales que albergan fonones topológicos, señalando que "tales experimentos podrían ser más desafiantes que los de topología electrónica, debido a la falta de técnicas de obtención de imágenes directas". Los fonones han sido catalogados en un repositorio público, donde los investigadores pueden acceder a materiales específicos.

"Cada estado de la superficie fonónica está listado en esta base de datos; el siguiente paso sería que los experimentadores los midieran", mencionó Nicolas Regnault, destacando el papel crucial de la verificación experimental en el avance de este campo.

El equipo imagina una nueva física que puede surgir del acoplamiento entre electrones topológicos y fonones. Si los estados topológicos de la superficie del electrón coexisten con los fonónicos, esto podría facilitar un fuerte acoplamiento electrón-fonón en la superficie (aunque potencialmente no en su mayor parte), lo que podría conducir a una superconductividad en la superficie.

"Ahora debemos profundizar en la comprensión de la influencia de la topología en el acoplamiento electrón-fonón", concluyó Bernevig, destacando los próximos pasos en su investigación.