Fonon Topologi Ditemukan di Kisi Kristal

Para peneliti dari konsorsium internasional telah menerbitkan studi inovatif yang memajukan bidang fisika benda padat.

Sekelompok peneliti internasional telah menemukan bahwa partikel kuantum, yang memainkan peran penting dalam getaran material yang mempengaruhi stabilitas dan karakteristik lainnya, dapat diklasifikasikan melalui topologi. Dikenal sebagai fonon, partikel-partikel ini mewakili pola getaran kolektif atom dalam struktur kristal. Mereka menciptakan gangguan yang menyebar seperti gelombang ke atom-atom di dekatnya. Fonon penting untuk beberapa sifat padatan, seperti konduktivitas termal dan listrik, hamburan neutron, dan keadaan kuantum termasuk gelombang kepadatan muatan dan superkonduktivitas.

Spektrum fonon—pada dasarnya energi sebagai fungsi momentum—dan fungsi gelombangnya, yang mewakili distribusi probabilitasnya dalam ruang nyata, dapat dihitung menggunakan kode prinsip pertama ab initio. Namun perhitungan tersebut sejauh ini belum memiliki prinsip pemersatu. “Untuk perilaku kuantum elektron, topologi—cabang matematika—telah berhasil mengklasifikasikan pita elektronik dalam material. Klasifikasi ini menunjukkan bahwa material, yang mungkin tampak berbeda, sebenarnya sangat mirip.

Kita telah mempunyai katalog perilaku topologi elektronik, mirip dengan tabel periodik senyawa. Tentu saja, hal ini membawa kita pada pertanyaan: Dapatkah topologi juga mengkarakterisasi fonon?” jelas B. Andrei Bernevig, seorang profesor fisika di Universitas Princetonprofesor tamu di DIPC, dan salah satu penulis penelitian.

Penemuan Fonon Topologi

Dalam sebuah penelitian yang dipublikasikan di jurnal Sains, tim internasional dari Universitas Princeton, Universitas Zhejiang, DIPC, ENS-CNRS, Institut Max Planck, dan Universitas Basque Country menemukan bahwa berbagai macam bahan dapat menampung fonon topologi. Topologi, studi tentang sifat-sifat yang dipertahankan melalui deformasi terus menerus, digunakan untuk mengkarakterisasi manifold. Misalnya, strip Mobius dibedakan dari strip biasa berdasarkan lilitannya, dan donat dibedakan dari bola berdasarkan lubangnya; ini tidak dapat diubah menjadi satu sama lain tanpa memotong manifoldnya.

“Pertama-tama kami menghitung pita fonon dari ribuan material kuantum, mengidentifikasi fungsi gelombangnya, dan mengkarakterisasinya berdasarkan simetrinya, yang memberikan semacam struktur lokal fonon,” kata Yuanfeng Xu, penulis pertama studi tersebut dan seorang profesor di Zhejiang . Universitas. “Setelah menyelesaikan langkah ini, kami menggunakan topologi untuk mengklasifikasikan perilaku global pita fonon,” tambahnya.

Beberapa database struktur fonon telah dianalisis secara cermat, mengungkapkan bahwa setidaknya setengah dari materi menunjukkan setidaknya satu set pita fonik kumulatif non-atom. Tim menggunakan formalisme serupa dengan yang dikembangkan untuk mengkarakterisasi pita elektronik, sebagaimana diuraikan dalam karya mereka sebelumnya tentang Topological Quantum Chemistry (TQC).

Tim ilmuwan internasional dari Universitas Princeton, Pusat Fisika Internasional Donostia (DIPC), Universitas Basque Country (UPV/EHU), Institut Max Planck, l'Ecole Normale Supérieure, CNRS, dan Universitas Zhejiang telah memindai beberapa database fonon dan memperkirakan keberadaan fonon topologi di sekitar 5000 material.

Fonon menawarkan jalur baru untuk mencapai topologi pita nontrivial dalam material solid-state, yang berpotensi mengarah pada kondisi permukaan fonon yang dapat melengkapi atau meningkatkan kondisi permukaan elektronik. “Kekokohan keadaan fonon permukaan topologi dapat dimanfaatkan untuk aplikasi seperti penyaringan frekuensi atau redaman energi mekanik dalam kondisi tidak sempurna, serta untuk perpindahan panas dan fotoelektronik inframerah. “Fonon topologi juga dapat membuka jalan bagi penciptaan dioda fonon atau pandu gelombang akustik,” jelas Nicolas Regnault, seorang profesor di ENS-CNRS dan salah satu penulis penelitian tersebut. Menganalisis data dari lebih dari sepuluh ribu materi, yang dikumpulkan dari perhitungan ab-initio dan disimpan dalam database seperti PhononDB@kyoto-u dan Proyek Material, mereka menemukan bahwa 50% materi menunjukkan setidaknya satu kesenjangan yang tidak sepele. “Alat untuk perhitungan ini disimpan di Server Kristalografi Bilbao,” kata Luis Elcoro, seorang profesor di Universitas Basque Country dan penulis koresponden lainnya.

“Setelah nilai eigen simetri pita ditentukan, semua jenis topologi fonon yang menunjukkan simetri dapat diidentifikasi dengan alat ini. “TQC telah terbukti menjadi formalisme universal untuk mengidentifikasi sifat topologi dalam kisi,” tambahnya. Elcoro juga menyebutkan bahwa “setelah mengembangkan teori dan menerapkannya dalam kode komputer, alat diagnostik topologi telah tersedia untuk umum di situs web, memungkinkan siapa pun untuk memverifikasi, menafsirkan ulang, atau memperluas temuan kami.”

Kesimpulan dan Langkah Selanjutnya

“Kami menemukan lebih banyak struktur topologi dalam fonon daripada yang kami duga sebelumnya, dan kami mengantisipasi bahwa fonon topologi akan menghasilkan fisika yang kaya dan tidak konvensional, seperti halnya elektron topologi,” kata Maia G. Vergniory, profesor di DIPC dan Max Planck di Dresden. Dia menekankan pentingnya memvalidasi prediksi untuk material yang menampung fonon topologi, dan mencatat bahwa “eksperimen semacam itu mungkin lebih menantang dibandingkan dengan topologi elektronik, karena kurangnya teknik pencitraan langsung.” Phonon telah dikatalogkan di repositori publik, di mana peneliti dapat mengakses materi tertentu. “Setiap keadaan permukaan fonik tercantum dalam database ini; langkah selanjutnya adalah para peneliti mengukurnya,” kata Nicolas Regnault, menyoroti peran penting verifikasi eksperimental dalam memajukan bidang ini.

Tim membayangkan fisika baru yang mungkin muncul dari hubungan antara elektron topologi dan fonon. Jika keadaan permukaan elektron topologi hidup berdampingan dengan keadaan permukaan fonik, hal ini dapat memfasilitasi penggabungan elektron-fonon yang kuat pada permukaan—walaupun berpotensi tidak dalam jumlah besar—berpotensi menyebabkan superkonduktivitas permukaan. “Kita sekarang harus menyelidiki pengaruh topologi pada kopling elektron-fonon,” Bernevig menyimpulkan, menyoroti langkah selanjutnya dalam penelitian mereka.

Referensi: “Katalog bahan fonon topologi” oleh Yuanfeng Xu, MG Vergniory, Da-Shuai Ma, Juan L. Mañes, Zhi-Da Song, B. Andrei Bernevig, Nicolas Regnault dan Luis Elcoro, 10 Mei 2024, Sains.
DOI: 10.1126/science.adf8458