Materiais com condutividade térmica aprimorada são essenciais para o desenvolvimento de dispositivos avançados para apoiar aplicações em comunicações, energia limpa e aeroespacial. Mas, para projetar materiais com essa propriedade, os cientistas precisam entender como os fônons, ou unidades quânticas de vibração dos átomos, se comportam em uma substância específica.

"Os fônons são muito importantes para o estudo de novos materiais porque governam várias propriedades dos materiais, como condutividade térmica e propriedades de transporte", disse Fuyang Tay, estudante de pós-graduação em física aplicada que trabalha com o Rice Advanced Magnet with Broadband Optics (RAMBO), um espectrômetro de mesa. no laboratório de Junichiro Kono na Rice University. "Por exemplo, é amplamente aceito que a supercondutividade surge de interações elétron-fônon.

"Recentemente, tem havido um interesse crescente no momento magnético transportado pelos modos de fônons que mostram movimento circular, também conhecidos como fônons quirais. Mas os mecanismos que podem levar a um grande momento magnético de fônons não são bem compreendidos."

Agora, uma equipe internacional de pesquisadores liderada por Felix Hernandez, da Universidade de São Paulo, no Brasil, e pelo professor assistente de pesquisa da Rice, Andrey Baydin, publicou um estudo detalhando as intrincadas conexões entre as propriedades magnéticas desses dervixes giratórios quânticos e a topologia subjacente da estrutura da banda eletrônica de um material. , que determina a faixa de níveis de energia que os elétrons possuem dentro dele.

Esta descoberta contribui para o crescente conhecimento sobre fônons, abrindo a porta não apenas para uma manipulação mais eficaz de fônons por meio de campos magnéticos, mas também para o desenvolvimento de materiais avançados.

Em um estudo anterior, Baydin e colegas aplicaram um campo magnético ao telureto de chumbo, um material semicondutor simples. Ao fazerem isso, viram que os fônons pararam de vibrar de forma linear e se tornaram quirais, movendo-se em movimentos circulares.

"Os fônons quirais interagem entre si de maneira diferente dos fônons que se movem linearmente", disse Baydin. "Se entendêssemos as propriedades dessas interações, poderíamos utilizá-las. Diferentes propriedades poderiam realizar diferentes aplicações potenciais em materiais."

Depois de observar que o momento magnético dos fônons quirais era muito pequeno no material em que se concentraram inicialmente, o grupo se perguntou se a mudança na topologia do material – ou na estrutura da banda eletrônica – teria impacto nas propriedades magnéticas. Para responder a essa pergunta, os pesquisadores testaram um novo material denominado isolante topológico cristalino.

"Pegamos o telureto de chumbo e adicionamos estanho", disse Baydin. "Se você adicionar o suficiente, algo chamado inversão de banda acontece, criando estados de superfície topologicamente protegidos. Esses materiais são fascinantes, porque são isolantes em massa, mas possuem estados de superfície eletrônicos condutores - uma característica muito promissora que poderia ser explorada em novos dispositivos eletrônicos."

Experimentos adicionais revelaram que o momento magnético dos fônons quirais era duas ordens de grandeza maior no material topológico do que no material sem tal topologia eletrônica.

"Nossas descobertas revelam novos insights convincentes sobre as propriedades magnéticas dos fônons neste material e enfatizam a intrincada conexão entre as propriedades magnéticas dos fônons quirais e a topologia da estrutura de banda eletrônica subjacente do material", disse Baydin. Ele acrescentou que o grupo planeja realizar mais experimentos para compreender melhor outros aspectos do comportamento dos fônons no futuro.

Tay acrescentou que esses resultados, que demonstram que o momento magnético dos fônons é significativamente aumentado em materiais topológicos, podem ajudar os cientistas de materiais a pesquisar e projetar materiais com momentos magnéticos de fônons maiores, conforme necessário para diferentes aplicações de dispositivos.

"Esta observação fornece novos insights sobre como controlar e manipular as propriedades dos fônons para alterar a condutividade térmica", disse Tay. "Além disso, a interação entre os fônons quirais e a topologia da estrutura eletrônica levanta a possibilidade de que a fase topológica possa ser influenciada pelo controle dos fônons."

Mais informações: Felix G. G. Hernandez et al, Observação da interação entre quiralidade de fônons e topologia de banda eletrônica, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj4074
Informações do diário: Avanços da ciência

Fornecido pela Rice University