Uma equipa de investigação internacional mostrou que os fônons, as partículas quânticas por trás das vibrações dos materiais, podem ser classificados usando topologia, tal como as bandas electrónicas nos materiais. Esta descoberta poderá levar ao desenvolvimento de novos materiais com propriedades térmicas, elétricas e mecânicas únicas, melhorando a nossa compreensão e manipulação da física do estado sólido.
Pesquisadores de um consórcio internacional publicaram um estudo inovador que faz avançar o campo da física do estado sólido.
Um grupo internacional de investigadores descobriu que as partículas quânticas, que desempenham um papel fundamental nas vibrações dos materiais que afectam a sua estabilidade e outras características, podem ser classificadas através da topologia. Conhecidas como fônons, essas partículas representam os padrões vibracionais coletivos dos átomos dentro de uma estrutura cristalina. Eles criam perturbações que se espalham como ondas para átomos próximos. Os fônons são cruciais para diversas propriedades dos sólidos, como condutividade térmica e elétrica, espalhamento de nêutrons e estados quânticos, incluindo ondas de densidade de carga e supercondutividade.
O espectro dos fônons – essencialmente a energia em função do momento – e suas funções de onda, que representam sua distribuição de probabilidade no espaço real, podem ser calculados usando códigos de primeiro princípio ab initio. No entanto, estes cálculos carecem até agora de um princípio unificador. “Para o comportamento quântico dos elétrons, a topologia – um ramo da matemática – classificou com sucesso as bandas eletrônicas nos materiais. Esta classificação mostra que os materiais, que podem parecer diferentes, são na verdade muito semelhantes.
Já temos catálogos de comportamentos topológicos eletrônicos, semelhantes a uma tabela periódica de compostos. Naturalmente, isso nos levou a questionar: a topologia também pode caracterizar os fônons?” explicou B. Andrei Bernevig, professor de física da Universidade de Princetonprofessor visitante do DIPC e um dos autores do estudo.
Descoberta de Fônons Topológicos
Em um estudo publicado na revista Ciência, uma equipe internacional da Universidade de Princeton, Universidade de Zhejiang, DIPC, ENS-CNRS, Instituto Max Planck e Universidade do País Basco descobriu que uma ampla gama de materiais poderia hospedar fônons topológicos. A topologia, o estudo das propriedades preservadas através de deformações contínuas, é usada para caracterizar variedades. Por exemplo, uma tira de Mobius distingue-se de uma tira regular por uma torção, e um donut difere de uma esfera por um buraco; estes não podem ser transformados um no outro sem cortar a variedade.
“Primeiro calculamos as bandas de fônons de milhares de materiais quânticos, identificando suas funções de onda e caracterizando-as por suas simetrias, que fornecem uma espécie de estrutura local dos fônons”, disse Yuanfeng Xu, primeiro autor do estudo e professor em Zhejiang. Universidade. “Após concluir esta etapa, empregamos a topologia para classificar o comportamento global das bandas de fônons”, acrescentou.
Vários bancos de dados de estruturas de fônons foram meticulosamente analisados, revelando que pelo menos metade dos materiais exibem pelo menos um conjunto de bandas fonônicas cumulativas não atômicas. A equipe empregou um formalismo semelhante ao desenvolvido para caracterizar bandas eletrônicas, conforme descrito em seu trabalho anterior sobre Química Quântica Topológica (TQC).
Uma equipe internacional de cientistas da Universidade de Princeton, do Centro Internacional de Física de Donostia (DIPC), da Universidade do País Basco (UPV/EHU), do Instituto Max Planck, da École Normale Supérieure, do CNRS e da Universidade de Zhejiang escaneou vários bancos de dados de fônons e prever a existência de fônons topológicos em aproximadamente 5.000 materiais.
O Phonon oferece um novo caminho para alcançar topologias de banda não triviais em materiais de estado sólido, potencialmente levando a estados de superfície de fônons que poderiam complementar ou melhorar estados de superfície eletrônicos. “A robustez dos estados fônons da superfície topológica pode ser aproveitada para aplicações como filtragem de frequência ou atenuação de energia mecânica sob condições imperfeitas, bem como para transferência de calor e fotoeletrônica infravermelha. Os fônons topológicos também poderiam abrir caminho para a criação de diodos de fônons ou guias de onda acústicos”, explicou Nicolas Regnault, professor do ENS-CNRS e um dos autores correspondentes do estudo. Analisando dados de mais de dez mil materiais, recolhidos a partir de cálculos ab-initio e armazenados em bases de dados como PhononDB@kyoto-u e o Materials Project, descobriram que 50% dos materiais apresentam pelo menos uma lacuna não trivial. “As ferramentas para estes cálculos estão hospedadas no Servidor Cristalográfico de Bilbao”, informou Luis Elcoro, professor da Universidade do País Basco e outro autor correspondente.
“Uma vez determinados os autovalores de simetria das bandas, todos os tipos de topologias de fônons indicadas por simetria podem ser identificados por essas ferramentas. O TQC provou ser um formalismo universal para identificar propriedades topológicas em redes”, acrescentou. Elcoro também mencionou que “após desenvolver a teoria e implementá-la em códigos de computador, as ferramentas de diagnóstico topológico foram disponibilizadas publicamente no site, permitindo que qualquer pessoa verifique, reinterprete ou expanda nossas descobertas”.
Conclusão e próximos passos
“Descobrimos mais estruturas topológicas em fônons do que esperávamos inicialmente e prevemos que os fônons topológicos levarão a uma física rica e não convencional, assim como os elétrons topológicos”, afirmou Maia G. Vergniory, professora do DIPC e Max Planck em Dresden. Ela enfatizou a importância de validar previsões para materiais que hospedam fônons topológicos, observando que “tais experimentos podem ser mais desafiadores do que aqueles para topologia eletrônica, devido à falta de técnicas de imagem direta”. Os fônons foram catalogados em um repositório público, onde os pesquisadores podem acessar materiais específicos. “Cada estado de superfície fonônica está listado neste banco de dados; o próximo passo seria os experimentalistas medi-los”, disse Nicolas Regnault, destacando o papel crucial da verificação experimental no avanço da área.
A equipe prevê uma nova física que pode emergir do acoplamento entre elétrons topológicos e fônons. Se os estados topológicos da superfície do elétron coexistirem com os fonônicos, isso poderia facilitar o forte acoplamento elétron-fônon na superfície – embora potencialmente não no volume – potencialmente levando à supercondutividade da superfície. “Devemos agora aprofundar a compreensão da influência da topologia no acoplamento elétron-fônon”, concluiu Bernevig, destacando os próximos passos de sua pesquisa.
Referência: “Catálogo de materiais fônons topológicos” por Yuanfeng Xu, MG Vergniory, Da-Shuai Ma, Juan L. Mañes, Zhi-Da Song, B. Andrei Bernevig, Nicolas Regnault e Luis Elcoro, 10 de maio de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adf8458
