Los materiales con conductividad térmica mejorada son fundamentales para el desarrollo de dispositivos avanzados que respalden aplicaciones en comunicaciones, energía limpia y aeroespacial. Pero para diseñar materiales con esta propiedad, los científicos necesitan comprender cómo se comportan los fonones, o unidades cuánticas de vibración de los átomos, en una sustancia particular.
"Los fonones son muy importantes para estudiar nuevos materiales porque gobiernan varias propiedades de los materiales, como la conductividad térmica y las propiedades del portador", dijo Fuyang Tay, un estudiante de posgrado en física aplicada que trabaja con Rice Advanced Magnet with Broadband Optics (RAMBO), un espectrómetro de mesa. en el laboratorio de Junichiro Kono en la Universidad Rice. "Por ejemplo, está ampliamente aceptado que la superconductividad surge de las interacciones entre electrones y fonones.
"Recientemente, ha habido un interés creciente en el momento magnético transmitido por modos de fonones que muestran movimiento circular, también conocidos como fonones quirales. Pero los mecanismos que pueden conducir a un gran momento magnético de fonones no se comprenden bien".
Ahora, un equipo internacional de investigadores dirigido por Félix Hernández de la Universidad de São Paulo de Brasil y el profesor asistente de investigación de Rice, Andrey Baydin, ha publicado un estudio que detalla las intrincadas conexiones entre las propiedades magnéticas de estos derviches cuánticos giratorios y la topología subyacente de la estructura de banda electrónica de un material. , que determina el rango de niveles de energía que tienen los electrones en su interior.
Este hallazgo se suma al creciente conjunto de conocimientos sobre fonones, abriendo la puerta no sólo a una manipulación más eficaz de los fonones a través de campos magnéticos, sino también al desarrollo de materiales avanzados.
En un estudio anterior, Baydin y sus colegas aplicaron un campo magnético al telururo de plomo, un material semiconductor simple. Cuando lo hicieron, vieron que los fonones dejaron de vibrar de forma lineal y se volvieron quirales, moviéndose en un movimiento circular.
"Los fonones quirales interactúan entre sí de manera diferente a los fonones que se mueven linealmente", dijo Baydin. "Si entendiéramos las propiedades de estas interacciones, podríamos hacer uso de ellas. Diferentes propiedades podrían realizar diferentes aplicaciones potenciales en los materiales."
Después de observar que el momento magnético de los fonones quirales era bastante pequeño en el material en el que se centraron por primera vez, el grupo se preguntó si cambiar la topología del material (o la estructura de la banda electrónica) afectaría las propiedades magnéticas. Para responder a esta pregunta, los investigadores probaron un nuevo material llamado aislante topológico cristalino.
"Tomamos el telururo de plomo y le agregamos estaño", dijo Baydin. "Si se agrega lo suficiente, sucede algo llamado inversión de banda, que crea estados superficiales topológicamente protegidos. Estos materiales son fascinantes, porque son aislantes en masa pero tienen estados superficiales electrónicos conductores, una característica muy prometedora que podría explotarse en nuevos dispositivos electrónicos".
Experimentos adicionales revelaron que el momento magnético de los fonones quirales era dos órdenes de magnitud mayor en el material topológico que en el material sin dicha topología electrónica.
"Nuestros hallazgos revelan nuevos conocimientos convincentes sobre las propiedades magnéticas de los fonones en este material y enfatizan la intrincada conexión entre las propiedades magnéticas de los fonones quirales y la topología de la estructura de banda electrónica subyacente del material", dijo Baydin. Añadió que el grupo planea realizar más experimentos para comprender mejor otros aspectos del comportamiento de los fonones en el futuro.
Tay añadió que estos resultados, que demuestran que el momento magnético de los fonones aumenta significativamente en materiales topológicos, pueden ayudar a los científicos de materiales a buscar y diseñar materiales con momentos magnéticos de fonones más grandes según sea necesario para diferentes aplicaciones de dispositivos.
"Esta observación proporciona nuevos conocimientos sobre cómo controlar y manipular las propiedades de los fonones para cambiar la conductividad térmica", dijo Tay. "Además, la interacción entre los fonones quirales y la topología de la estructura electrónica plantea la posibilidad de que la fase topológica pueda verse influenciada por el control de los fonones".
Más información: Felix G. G. Hernandez et al, Observación de la interacción entre la quiralidad de fonones y la topología de bandas electrónicas, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj4074
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por la Universidad Rice
