Fônons topológicos:onde as vibrações encontram sua torção
Crédito:Domínio Público CC0 Uma equipa internacional de investigadores descobriu que as partículas quânticas responsáveis pelas vibrações dos materiais – que influenciam a sua estabilidade e várias outras propriedades – podem ser classificadas através da topologia.
Os fônons, os modos vibracionais coletivos dos átomos dentro de uma rede cristalina, geram distúrbios que se propagam como ondas através dos átomos vizinhos. Esses fônons são vitais para muitas propriedades de sistemas de estado sólido, incluindo condutividade térmica e elétrica, espalhamento de nêutrons e fases quânticas como ondas de densidade de carga e supercondutividade.
O espectro de fônons - essencialmente a energia em função do momento - e suas funções de onda, que representam sua distribuição de probabilidade no espaço real, podem ser calculados usando códigos de primeiro princípio ab initio. No entanto, estes cálculos carecem até agora de um princípio unificador.
"Para o comportamento quântico dos elétrons, a topologia - um ramo da matemática - classificou com sucesso as bandas eletrônicas nos materiais. Esta classificação mostra que os materiais, que podem parecer diferentes, são na verdade muito semelhantes. Já temos catálogos de comportamentos topológicos eletrônicos, semelhantes a uma tabela periódica de compostos Naturalmente, isso nos levou a questionar:a topologia também pode caracterizar os fônons? explicou B. Andrei Bernevig, professor de física na Universidade de Princeton, professor visitante do DIPC e um dos autores do estudo.
Em um estudo publicado na revista Science , uma equipe internacional da Universidade de Princeton, Universidade de Zhejiang, DIPC, ENS-CNRS, Instituto Max Planck e Universidade do País Basco descobriu que uma ampla gama de materiais poderia hospedar fônons topológicos.
A topologia, o estudo das propriedades preservadas através de deformações contínuas, é usada para caracterizar variedades. Por exemplo, uma tira de Mobius distingue-se de uma tira regular por uma torção, e um donut difere de uma esfera por um buraco; estes não podem ser transformados um no outro sem cortar a variedade.
"Primeiro calculamos as bandas de fônons de milhares de materiais quânticos, identificando suas funções de onda e caracterizando-as por suas simetrias, que fornecem uma espécie de estrutura local dos fônons", disse Yuanfeng Xu, primeiro autor do estudo e professor em Zhejiang. Universidade. “Depois de concluir esta etapa, empregamos a topologia para classificar o comportamento global das bandas de fônons”, acrescentou.
Vários bancos de dados de estruturas de fônons foram meticulosamente analisados, revelando que pelo menos metade dos materiais exibem pelo menos um conjunto de bandas fonônicas cumulativas não atômicas. A equipe empregou um formalismo semelhante ao desenvolvido para caracterizar bandas eletrônicas, conforme descrito em seu trabalho anterior sobre Química Quântica Topológica (TQC).
Uma equipe internacional de cientistas da Universidade de Princeton, do Centro Internacional de Física de Donostia (DIPC), da Universidade do País Basco (UPV/EHU), do Instituto Max Planck, da École Normale Supérieure, do CNRS e da Universidade de Zhejiang escaneou vários bancos de dados de fônons e prever a existência de fônons topológicos em aproximadamente 5.000 materiais.
Os fônons oferecem um novo caminho para alcançar topologias de banda não triviais em materiais de estado sólido, potencialmente levando a estados de superfície de fônons que poderiam complementar ou melhorar estados de superfície eletrônicos.
"A robustez dos estados fônons da superfície topológica pode ser aproveitada para aplicações como filtragem de frequência ou atenuação de energia mecânica sob condições imperfeitas, bem como para transferência de calor e fotoeletrônica infravermelha. Os fônons topológicos também podem abrir caminho para a criação de diodos fônons ou guias de onda acústicos, " explicou Nicolas Regnault, professor da ENS-CNRS e um dos autores correspondentes do estudo.
Analisando dados de mais de dez mil materiais, recolhidos a partir de cálculos ab-initio e armazenados em bases de dados como PhononDB@kyoto-u e o Materials Project, descobriram que 50% dos materiais apresentam pelo menos uma lacuna não trivial.
“As ferramentas para estes cálculos estão hospedadas no Servidor Cristalográfico de Bilbao”, informou Luis Elcoro, professor da Universidade do País Basco e outro autor correspondente.
"Uma vez determinados os autovalores de simetria das bandas, todos os tipos de topologias de fônons indicadas por simetria podem ser identificados por essas ferramentas. O TQC provou ser um formalismo universal para identificar propriedades topológicas em redes", acrescentou. Elcoro também mencionou que “após desenvolver a teoria e implementá-la em códigos de computador, as ferramentas de diagnóstico topológico foram disponibilizadas publicamente no site, permitindo que qualquer pessoa verifique, reinterprete ou expanda nossas descobertas”.
"Descobrimos mais estruturas topológicas em fônons do que esperávamos inicialmente, e prevemos que os fônons topológicos levarão a uma física rica e não convencional, assim como os elétrons topológicos", afirmou Maia G. Vergniory, professora do DIPC e Max Planck em Dresden.
Ela enfatizou a importância de validar previsões para materiais que hospedam fônons topológicos, observando que "tais experimentos podem ser mais desafiadores do que aqueles para topologia eletrônica, devido à falta de técnicas diretas de imagem". Os fônons foram catalogados em um repositório público, onde os pesquisadores podem acessar materiais específicos.
"Todos os estados de superfície fonônica estão listados neste banco de dados; o próximo passo seria os experimentalistas medi-los", mencionou Nicolas Regnault, destacando o papel crucial da verificação experimental no avanço do campo.
A equipe prevê uma nova física que pode emergir do acoplamento entre elétrons topológicos e fônons. Se os estados topológicos da superfície do elétron coexistirem com os fonônicos, isso poderia facilitar o forte acoplamento elétron-fônon na superfície - embora potencialmente não no volume - levando potencialmente à supercondutividade da superfície.
"Devemos agora aprofundar a compreensão da influência da topologia no acoplamento electrão-fônon," concluiu Bernevig, destacando os próximos passos da sua investigação.
