Где вибрации находят свое применение

Международная группа исследователей обнаружила, что квантовые частицы, ответственные за вибрации материалов, которые влияют на их стабильность и различные другие свойства, можно классифицировать с помощью топологии.

Фононы, коллективные колебательные моды атомов внутри кристаллической решетки, генерируют возмущения, которые распространяются как волны через соседние атомы. Эти фононы жизненно важны для многих свойств твердотельных систем, включая тепло- и электропроводность, рассеяние нейтронов и квантовые фазы, такие как волны зарядовой плотности и сверхпроводимость.

Спектр фононов — по сути, энергия как функция импульса — и их волновые функции, которые представляют их распределение вероятностей в реальном пространстве, могут быть вычислены с использованием первопринципных кодов ab initio. Однако эти расчеты пока не имеют объединяющего принципа.

«Что касается квантового поведения электронов, топология — раздел математики — успешно классифицировала электронные зоны в материалах. Эта классификация показывает, что материалы, которые могут показаться разными, на самом деле очень похожи. У нас уже есть каталоги электронного топологического поведения, подобные к периодической таблице соединений. Естественно, это привело нас к вопросу: может ли топология также характеризовать фононы?» объяснил Б. Андрей Берневиг, профессор физики Принстонского университета, приглашенный профессор DIPC и один из авторов исследования.

В исследовании, опубликованном в журнале НаукаМеждународная группа из Принстонского университета, Чжэцзянского университета, DIPC, ENS-CNRS, Института Макса Планка и Университета Страны Басков обнаружила, что широкий спектр материалов может содержать топологические фононы.

Топология, изучение свойств, сохраняющихся при непрерывных деформациях, используется для характеристики многообразий. Например, лента Мёбиуса отличается от обычной ленты закруткой, а бублик — от сферы отверстием; они не могут быть преобразованы друг в друга, не разрезая многообразие.

«Сначала мы рассчитали фононные полосы тысяч квантовых материалов, идентифицировав их волновые функции и охарактеризовав их симметрией, которая обеспечивает своего рода локальную структуру фононов», — сказал Юаньфэн Сюй, первый автор исследования и профессор Чжэцзянского университета. Университет. «После завершения этого шага мы применили топологию для классификации глобального поведения фононных полос», — добавил он.

Несколько баз данных фононных структур были тщательно проанализированы, и выяснилось, что по крайней мере половина материалов имеет по крайней мере один неатомный кумулятивный набор фононных полос. Команда использовала формализм, аналогичный тому, который был разработан для характеристики электронных зон, как описано в их предыдущей работе по топологической квантовой химии (TQC).

Международная группа ученых из Принстонского университета, Международного физического центра Доностии (DIPC), Университета Страны Басков (UPV/EHU), Института Макса Планка, Высшей нормальной школы, CNRS и Чжэцзянского университета отсканировала несколько базы данных фононов и предсказывают существование топологических фононов примерно в 5000 материалах.

Фононы открывают новый путь для достижения нетривиальной зонной топологии в твердотельных материалах, потенциально приводя к фононным поверхностным состояниям, которые могут дополнять или улучшать электронные поверхностные состояния.

«Надежность топологических поверхностных фононных состояний может быть использована для таких приложений, как частотная фильтрация или ослабление механической энергии в несовершенных условиях, а также для теплопередачи и инфракрасной фотоэлектроники. Топологические фононы также могут проложить путь для создания фононных диодов или акустических волноводов. — пояснил Николя Реньо, профессор ENS-CNRS и один из авторов исследования.

Проанализировав данные из более чем десяти тысяч материалов, собранных в результате первоначальных расчетов и хранящихся в таких базах данных, как PhononDB@kyoto-u и Materials Project, они обнаружили, что 50% материалов имеют по крайней мере один нетривиальный пробел.

«Инструменты для этих расчетов размещены на кристаллографическом сервере Бильбао», — сообщил Луис Элькоро, профессор Университета Страны Басков и другой автор-корреспондент.

«Как только будут определены собственные значения симметрии зон, с помощью этих инструментов можно будет идентифицировать все типы фононных топологий, указываемых симметрией. TQC оказался универсальным формализмом для идентификации топологических свойств в решетках», — добавил он. Элкоро также упомянул, что «после разработки теории и реализации ее в компьютерных кодах инструменты топологической диагностики стали общедоступными на веб-сайте, что позволяет любому проверить, по-новому интерпретировать или расширить наши выводы».

«Мы обнаружили больше топологических структур в фононах, чем мы первоначально ожидали, и мы ожидаем, что топологические фононы приведут к богатой и нетрадиционной физике, во многом подобной тому, как это произошло с топологическими электронами», — заявила Майя Г. Вергниори, профессор DIPC и Макса Планка в Дрездене.

Она подчеркнула важность проверки предсказаний для материалов, содержащих топологические фононы, отметив, что «такие эксперименты могут быть более сложными, чем эксперименты по электронной топологии, из-за отсутствия методов прямого изображения». Фононы каталогизированы в общедоступном хранилище, где исследователи могут получить доступ к конкретным материалам.

«Все состояния фононной поверхности перечислены в этой базе данных; следующим шагом для экспериментаторов будет их измерение», — отметил Николя Реньо, подчеркнув решающую роль экспериментальной проверки в развитии этой области.

Команда предполагает новую физику, которая может возникнуть в результате взаимодействия топологических электронов и фононов. Если топологические электронные поверхностные состояния сосуществуют с фононными, это может способствовать сильному электрон-фононному взаимодействию на поверхности (но потенциально не в объеме), что потенциально может привести к поверхностной сверхпроводимости.

«Теперь нам необходимо углубиться в понимание влияния топологии на электрон-фононное взаимодействие», — заключил Берневиг, подчеркнув следующие шаги в своих исследованиях.