电子路径可以增强集体原子振动的磁性

具有增强导热率的材料 对于开发支持以下应用的先进设备至关重要通信、清洁能源和航空航天。但为了设计具有这种特性的材料，科学家需要了解声子或原子振动的量子单位在特定物质中的行为方式。

“声子对于研究新材料非常重要，因为它们控制着多种材料特性，例如热导率和载流子特性，”应用物理学研究生 Fuyang Tay 说，他正在研究带有宽带光学的莱斯先进磁体(< /span> 源自电子-声子相互作用。超导性 。 “例如，人们广泛认为 光谱仪)，莱斯大学 Junichiro Kono 实验室的台式RAMBO

“最近，人们对表现出圆周运动的声子模式(也称为手性声子)所携带的磁矩 越来越感兴趣。但导致大声子磁矩的机制尚不清楚。”

现在，由巴西圣保罗大学 Felix Hernandez 和莱斯大学助理研究教授 Andrey Baydin 领导的国际研究团队发表了一项研究 详细介绍了这些量子旋转苦行僧的磁性与材料的底层电子能带结构拓扑 之间的复杂联系，它决定了电子内部的能级范围。

这一发现丰富了关于声子的知识体系，不仅为通过磁场更有效地操纵声子打开了大门，而且为先进材料的开发打开了大门。

在之前的研究中，Baydin 及其同事对碲化铅(一种简单的半导体材料)施加了磁场。当他们这样做时，他们看到声子停止以线性方式振动，并变成手性的，以圆周运动移动。

“手性声子之间的相互作用与线性移动的声子不同，”贝丁说。 “如果我们了解这些相互作用的特性，我们就可以利用它们。不同的特性可以实现材料的不同潜在应用。”

在注意到他们首先关注的材料中手性声子的磁矩非常小后，研究小组想知道改变材料的拓扑结构(或电子能带结构)是否会影响磁性。为了回答这个问题，研究人员测试了一种称为晶体拓扑绝缘体的新材料。

“我们采用了碲化铅并在其中添加了锡，”贝丁说。 “如果添加足够多的物质，就会发生能带反转，从而产生受拓扑保护的表面态。这些材料很有趣，因为它们在整体上是绝缘的，但具有导电的电子表面态——这是一个非常有前途的特性，可以在新型电子设备中加以利用。”

额外的实验表明，拓扑材料中的手性声子磁矩比没有这种电子拓扑的材料大两个数量级。

贝丁说：“我们的研究结果揭示了对该材料中声子磁性的令人信服的新见解，并强调了手性声子的磁性与材料的潜在电子能带结构拓扑之间的复杂联系。”他补充说，该小组计划在未来进行进一步的实验，以更好地了解声子行为的其他方面。

Tay补充说，这些结果表明声子磁矩在拓扑材料中显着增强，可以帮助材料科学家根据不同设备应用的需要搜索和设计具有更大声子磁矩的材料。

“这一观察结果为如何控制和操纵声子特性以改变热导率提供了新的见解，”泰说。 “此外，手性声子和电子结构拓扑之间的相互作用提出了通过控制声子来影响拓扑相位的可能性。”

该研究得到了国家科学基金会(1720595、2114825)、莱斯大学(通过 Brasil@Rice 合作资助)、圣保罗研究基金会(2018/06142-5、2023/04245-0)、巴西国家科学与技术委员会的支持。技术开发(307192/2021-0、302288/2022-8)、亚历山大·冯·洪堡基金会和日本学术振兴会(20H05662)。