Materijali sa poboljšanom toplotnom provodljivošću su kritični za razvoj naprednih uređaja za podršku aplikacijama u komunikacijama, čistoj energiji i vazduhoplovstvu. Ali da bi konstruisali materijale sa ovim svojstvom, naučnici treba da razumeju kako se fononi, ili kvantne jedinice vibracije atoma, ponašaju u određenoj supstanci.
„Fononi su veoma važni za proučavanje novih materijala jer upravljaju nekim svojstvima materijala kao što su toplotna provodljivost i svojstva nosioca“, rekao je Fuiang Tai, diplomirani student primenjene fizike koji radi sa Rice Advanced Magnet with Broadband Optics (RAMBO), stonim spektrometrom u laboratoriji Junichiro Kono na Univerzitetu Rajs. „Na primer, široko je prihvaćeno da supravodljivost proizilazi iz interakcija elektron-fonon.“
„U poslednje vreme raste interesovanje za magnetni moment koji nose fononski modovi koji pokazuju kružno kretanje, takođe poznato kao hiralni fononi. Ali mehanizmi koji mogu dovesti do velikog fononskog magnetnog momenta nisu dobro shvaćeni.“
Sada je međunarodni tim istraživača na čelu sa Feliksom Ernandezom sa brazilskog Univerziteta u Sao Paulu i pomoćnim profesorom za istraživanje Rajsa Andrejem Bajdinom objavio studiju u kojoj su detaljno opisane zamršene veze između magnetnih svojstava ovih kvantnih vrtložnih derviša i osnovne topologije materijala strukture elektronske trake. , koji određuje opseg energetskih nivoa koje elektroni imaju u sebi.
Ovo otkriće doprinosi rastućem obimu znanja o fononima, otvarajući vrata ne samo za efikasniju manipulaciju fononima putem magnetnih polja, već i za razvoj naprednih materijala.
U prethodnoj studiji, Bajdin i njegove kolege primenili su magnetno polje na telurid olova, jednostavan poluprovodnički materijal. Kada su to uradili, videli su da su fononi prestali da vibriraju na linearni način i postali hiralni, krećući se u kružnom kretanju.
„Hiralni fononi interaguju jedni sa drugima drugačije od fonona koji se kreću linearno“, rekao je Bajdin. „Ako bismo razumeli svojstva ovih interakcija, mogli bismo da ih iskoristimo. Različita svojstva bi mogla da realizuju različite potencijalne primene u materijalima.“
Nakon što su primetili da je magnetni moment kiralnih fonona prilično mali u materijalu na koji su se prvo fokusirali, grupa se zapitala da li bi promena topologije materijala – ili strukture elektronske trake – uticala na magnetna svojstva. Da bi odgovorili na ovo pitanje, istraživači su testirali novi materijal nazvan kristalni topološki izolator.
Uzeli smo telurid olova i dodali mu kalaj“, rekao je Bajdin. „Ako dodate dovoljno, dešava se nešto što se zove inverzija pojasa, stvarajući topološki zaštićena površinska stanja. Ovi materijali su fascinantni, jer su izolujući u masi, ali imaju provodna elektronska površinska stanja – veoma obećavajuća karakteristika koja bi se mogla iskoristiti u novim elektronskim uređajima.“
Dodatni eksperimenti su otkrili da je magnetni moment kiralnih fonona bio dva reda veličine veći u topološkom materijalu nego u materijalu bez takve elektronske topologije.
„Naši nalazi otkrivaju ubedljive nove uvide u magnetna svojstva fonona u ovom materijalu i naglašavaju zamršenu vezu između magnetnih svojstava kiralnih fonona i osnovne topologije elektronske trake materijala“, rekao je Bajdin. On je dodao da grupa planira da sprovede dalje eksperimente kako bi bolje razumela druge aspekte ponašanja fonona u budućnosti.
Tej je dodao da ovi rezultati, koji pokazuju da je magnetni moment fonona značajno poboljšan u topološkim materijalima, mogu pomoći naučnicima da pretražuju i dizajniraju materijale sa većim magnetnim momentima fonona po potrebi za različite aplikacije uređaja.
„Ovo zapažanje pruža nove uvide u to kako kontrolisati i manipulisati svojstvima fonona da bi se promenila toplotna provodljivost“, rekao je Tej. „Dalje, međusobna igra između kiralnih fonona i topologije elektronske strukture otvara mogućnost da se na topološku fazu može uticati kontrolom fonona.“
