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(noticias nanowerk) Los materiales con conductividad térmica mejorada son fundamentales para desarrollar dispositivos avanzados que respalden las comunicaciones, la energía limpia y las aplicaciones aeroespaciales. Sin embargo, para diseñar materiales con esta propiedad, los científicos necesitan comprender cómo se comportan los fonones, o unidades cuánticas de vibración de los átomos, en una sustancia particular.
Las tesis centrales
Investigación
«Los fonones son muy importantes para estudiar nuevos materiales porque controlan múltiples propiedades de los materiales, como la conductividad térmica y las propiedades del portador», dijo Fuyang Tay, un estudiante graduado en física aplicada que trabaja con Rice Advanced Magnet with Broadband Optics (RAMBO), un espectrómetro de mesa de Junichiro. Laboratorio de Kono en la Universidad Rice. “Por ejemplo, generalmente se acepta que la superconductividad surge de las interacciones entre electrones y fonones.
“Recientemente ha habido un interés creciente en el momento magnético transmitido por modos de fonones que exhiben movimiento circular, también conocidos como fonones quirales. Pero los mecanismos que pueden conducir a un gran momento de fonón magnético no se comprenden completamente”.
Ahora, un equipo internacional de investigadores dirigido por Félix Hernández de la Universidad de São Paulo de Brasil y el profesor asistente de Rice, Andrey Baydin, ha publicado un estudio (Avances científicos«Observación de la interacción entre la quiralidad del fonón y la topología de banda electrónica»), que detalla las complicadas relaciones entre las propiedades magnéticas de estos derviches cuánticos giratorios y la topología de la estructura de banda electrónica subyacente de un material, que determina el rango de niveles de energía que los electrones tienen dentro de él. .
Este descubrimiento contribuye al creciente conjunto de conocimientos sobre los fonones y abre la puerta no sólo a una manipulación más eficaz de los fonones a través de campos magnéticos, sino también al desarrollo de materiales avanzados.
En un estudio anterior (Cartas de examen físico, “Control magnético de fonones quirales blandos en PbTe”), Baydin y sus colegas aplicaron un campo magnético al telururo de plomo, un material semiconductor simple. Se dieron cuenta de que los fonones dejaron de oscilar linealmente y, en cambio, se volvieron quirales y se movían en un patrón circular.
«Los fonones quirales interactúan entre sí de manera diferente a los fonones que se mueven linealmente», dijo Baydin. “Si comprendiéramos las propiedades de estas interacciones, podríamos explotarlas. Diferentes propiedades podrían permitir diferentes aplicaciones potenciales en materiales”.
Después de determinar que el momento magnético de los fonones quirales en el material en el que se centraron inicialmente era bastante pequeño, el grupo se preguntó si cambiar la topología del material (o la estructura de la banda electrónica) tendría un impacto en las propiedades magnéticas. Para responder a esta pregunta, los investigadores probaron un nuevo material llamado aislante topológico cristalino.
«Tomamos telururo de plomo y le agregamos estaño», dijo Baydin. “Si se agrega lo suficiente, se produce lo que se llama inversión de banda, creando estados de superficie topológicamente protegidos. Estos materiales son intrigantes porque aislan en grandes cantidades pero tienen estados superficiales electrónicos conductores, una propiedad prometedora que podría explotarse en nuevos dispositivos electrónicos”.
![Un gráfico ilustra la estructura y funciones del Rice Advanced Magnet con óptica de banda ancha](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64271_1.jpg)
Experimentos adicionales revelaron que el momento magnético de los fonones quirales en el material topológico era dos órdenes de magnitud mayor que en el material sin dicha topología electrónica.
«Nuestros resultados revelan nuevos conocimientos convincentes sobre las propiedades magnéticas de los fonones en este material y resaltan la intrincada conexión entre las propiedades magnéticas de los fonones quirales y la topología subyacente de la estructura de bandas electrónicas del material», dijo Baydin. Añadió que el grupo planea realizar más experimentos en el futuro para comprender mejor otros aspectos del comportamiento de los fonones.
Tay añadió que estos resultados, que muestran que el momento magnético de los fonones aumenta significativamente en materiales topológicos, pueden ayudar a los científicos de materiales a buscar y diseñar materiales con momentos magnéticos de fonones más grandes según sea necesario para diversas aplicaciones de dispositivos.
«Esta observación proporciona nuevos conocimientos sobre cómo se pueden controlar y manipular las propiedades de los fonones para cambiar la conductividad térmica», dijo Tay. «Además, la interacción entre los fonones quirales y la topología de la estructura electrónica plantea la posibilidad de que la fase topológica pueda verse influenciada por el control de los fonones».
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