Les matériaux dotés d’une conductivité thermique améliorée sont essentiels au développement de dispositifs avancés destinés à prendre en charge les applications dans les domaines des communications, de l’énergie propre et de l’aérospatiale. Mais pour concevoir des matériaux dotés de cette propriété, les scientifiques doivent comprendre comment les phonons, ou unités quantiques de vibration des atomes, se comportent dans une substance particulière.
« Les phonons sont très importants pour l’étude de nouveaux matériaux car ils régissent plusieurs propriétés des matériaux telles que la conductivité thermique et les propriétés des porteurs », a déclaré Fuyang Tay, un étudiant diplômé en physique appliquée travaillant avec l’aimant avancé de Rice avec optique à large bande (RAMBO), un spectromètre de table du laboratoire de Junichiro Kono à l’Université Rice. « Par exemple, il est largement admis que la supraconductivité résulte des interactions électron-phonon.
« Récemment, on s’intéresse de plus en plus au moment magnétique porté par les modes de phonons qui présentent un mouvement circulaire, également appelés phonons chiraux. Mais les mécanismes qui peuvent conduire à un moment magnétique de phonon important ne sont pas bien compris. »
Aujourd’hui, une équipe internationale de chercheurs dirigée par Felix Hernandez de l’Université de São Paulo au Brésil et Andrey Baydin, professeur de recherche adjoint à Rice, a publié une étude détaillant les liens complexes entre les propriétés magnétiques de ces derviches tourneurs quantiques et la topologie sous-jacente d’un matériau de la structure de la bande électronique, qui détermine la gamme de niveaux d’énergie que contiennent les électrons.
Cette découverte s’ajoute au corpus croissant de connaissances sur les phonons, ouvrant la porte non seulement à une manipulation plus efficace des phonons via des champs magnétiques, mais également au développement de matériaux avancés.
Dans une étude précédente, Baydin et ses collègues ont appliqué un champ magnétique au tellurure de plomb, un simple matériau semi-conducteur. Ce faisant, ils ont constaté que les phonons arrêtaient de vibrer de manière linéaire et devenaient chiraux, se déplaçant selon un mouvement circulaire.
« Les phonons chiraux interagissent les uns avec les autres différemment des phonons qui se déplacent de manière linéaire », a déclaré Baydin. « Si nous comprenions les propriétés de ces interactions, nous pourrions les utiliser. Différentes propriétés pourraient réaliser différentes applications potentielles dans les matériaux. »
Après avoir remarqué que le moment magnétique des phonons chiraux était assez faible dans le matériau sur lequel ils se sont d’abord concentrés, le groupe s’est demandé si le changement de la topologie du matériau (ou de la structure de la bande électronique) aurait un impact sur les propriétés magnétiques. Pour répondre à cette question, les chercheurs ont testé un nouveau matériau appelé isolant topologique cristallin.
« Nous avons pris le tellurure de plomb et y avons ajouté de l’étain », a expliqué Baydin. « Si vous en ajoutez suffisamment, quelque chose appelé inversion de bande se produit, créant des états de surface topologiquement protégés. Ces matériaux sont fascinants, car ils sont isolants en vrac mais ont des états de surface électroniques conducteurs – une caractéristique très prometteuse qui pourrait être exploitée dans de nouveaux appareils électroniques. «
Des expériences supplémentaires ont révélé que le moment magnétique des phonons chiraux était deux ordres de grandeur plus grand dans le matériau topologique que dans le matériau sans une telle topologie électronique.
« Nos résultats révèlent de nouvelles informations convaincantes sur les propriétés magnétiques des phonons dans ce matériau et soulignent le lien complexe entre les propriétés magnétiques des phonons chiraux et la topologie de la structure de bande électronique sous-jacente du matériau », a déclaré Baydin. Il a ajouté que le groupe envisage de mener d’autres expériences pour mieux comprendre d’autres aspects du comportement des phonons à l’avenir.
Tay a ajouté que ces résultats, qui démontrent que le moment magnétique des phonons est considérablement amélioré dans les matériaux topologiques, peuvent aider les scientifiques en matériaux à rechercher et à concevoir des matériaux avec des moments magnétiques de phonons plus grands, selon les besoins de différentes applications de dispositifs.
« Cette observation fournit de nouvelles informations sur la manière de contrôler et de manipuler les propriétés des phonons pour modifier la conductivité thermique », a déclaré Tay. « De plus, l’interaction entre les phonons chiraux et la topologie de la structure électronique soulève la possibilité que la phase topologique puisse être influencée par le contrôle des phonons. »
Plus d’information:
Felix GG Hernandez et al, Observation de l’interaction entre la chiralité des phonons et la topologie des bandes électroniques, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adj4074