Un fenomeno fisico esotico noto come anomalia di Kohn è stato trovato per la prima volta in un tipo di materiale inaspettato dai ricercatori del MIT e altrove. Dicono che la scoperta potrebbe fornire nuove informazioni su alcuni processi fondamentali che aiutano a determinare perché i metalli e altri materiali mostrano le complesse proprietà elettroniche che sono alla base di gran parte della tecnologia odierna.

Il modo in cui gli elettroni interagiscono con i fononi, che sono essenzialmente vibrazioni che passano attraverso un materiale cristallino, determina i processi fisici che avvengono all'interno di molti dispositivi elettronici. Queste interazioni influenzano il modo in cui i metalli resistono alla corrente elettrica, la temperatura alla quale alcuni materiali diventano improvvisamente superconduttori, e i requisiti di temperatura molto bassa per i computer quantistici, tra molti altri processi.

Ma le interazioni elettrone-fonone sono state difficili da studiare in dettaglio perché sono generalmente molto deboli. Il nuovo studio ha trovato un nuovo, tipo più forte di insolita interazione elettrone-fonone:i ricercatori hanno indotto un'anomalia di Kohn, che in precedenza si pensava esistesse solo nei metalli, in un materiale esotico chiamato semimetallo Weyl topologico. La scoperta potrebbe aiutare a far luce su aspetti importanti della complessa interazione tra elettroni e fononi, dicono.

Il nuovo ritrovamento, sulla base sia di previsioni teoriche che di osservazioni sperimentali, è descritto questa settimana sul giornale Lettere di revisione fisica , in un articolo degli studenti laureati del MIT Thanh Nguyen e Nina Andrejevic, postdoc Ricardo Pablo-Pedro, Ricercatore Fei Han, Professore Mingda Li, e altri 14 al MIT e in diverse altre università e laboratori nazionali.

anomalie di Kohn, scoperto per la prima volta negli anni '50 dal fisico Walter Kohn, riflettere un cambiamento improvviso, a volte descritto come una sorta di attorcigliamento o oscillazione, nel grafico che descrive un parametro fisico chiamato funzione di risposta elettronica. Questa discontinuità in una curva altrimenti liscia riflette un improvviso cambiamento della capacità degli elettroni di schermare i fononi. Ciò può dar luogo a instabilità nella propagazione degli elettroni attraverso il materiale, e può portare a molte nuove proprietà elettroniche.

Queste anomalie sono state osservate in precedenza in alcuni metalli e in altri materiali altamente conduttivi elettricamente come il grafene, ma non era mai stato visto o previsto prima in un "materiale topologico, " i cui comportamenti elettrici sono robusti contro le perturbazioni. In questo caso, una sorta di materiale topologico chiamato semimetallo Weyl, in particolare fosfuro di tantalio, è risultato in grado di esibire questa insolita anomalia. A differenza dei metalli convenzionali, dove una proprietà chiamata superficie di Fermi guida la formazione dell'anomalia di Kohn, in questo materiale, i punti Weyl servono come forza trainante.

Poiché gli accoppiamenti elettrone-fonone si verificano praticamente ovunque tutto il tempo, possono essere una delle principali fonti di disturbo in sistemi fisici delicati come quelli utilizzati per rappresentare i dati nei computer quantistici. Misurando la forza di queste interazioni, che è la chiave per sapere come proteggere tali tecnologie quantistiche, è stato molto difficile, ma questa nuova scoperta, Li dice, fornisce un modo per effettuare tali misurazioni. "L'anomalia di Kohn può essere utilizzata per quantificare quanto può essere forte l'accoppiamento elettrone-fonone, " lui dice.

Per misurare le interazioni, il team ha utilizzato sonde avanzate per la diffusione di neutroni e raggi X presso tre laboratori nazionali:Argonne National Laboratory, Laboratorio nazionale di Oak Ridge, e il National Institute of Standards and Technology, per sondare il comportamento del materiale di fosfuro di tantalio. "Abbiamo previsto che c'è un'anomalia di Kohn nel materiale basandosi solo sulla pura teoria, "Li spiega, Usando i loro calcoli, "potremmo guidare gli esperimenti fino al punto in cui vogliamo cercare il fenomeno, e vediamo un ottimo accordo tra la teoria e gli esperimenti."

Martin Greven, un professore di fisica all'Università del Minnesota che non era coinvolto in questa ricerca, dice che questo lavoro "ha un'ampiezza e una profondità impressionanti, abbracciando sia la teoria sofisticata che gli esperimenti di diffusione. Apre nuovi orizzonti nella fisica della materia condensata, in quanto stabilisce un nuovo tipo di anomalia Kohn."

Una migliore comprensione degli accoppiamenti elettrone-fonone potrebbe aiutare a spianare la strada allo sviluppo di materiali come superconduttori ad alta temperatura migliori o computer quantistici tolleranti ai guasti, dicono i ricercatori. Questo nuovo strumento potrebbe essere utilizzato per sondare le proprietà dei materiali alla ricerca di quelle che rimangono relativamente inalterate a temperature più elevate.

Brent Fultz, un professore di scienza dei materiali e fisica applicata al Caltech, anche lui non era coinvolto in questo lavoro, aggiunge che "forse questi effetti aiuteranno lo sviluppo di materiali con nuove proprietà termiche o elettroniche, ma poiché sono così nuovi, abbiamo bisogno di tempo per pensare a cosa possono fare".

Nguyen, l'autore principale del giornale, dice che pensa che questo lavoro aiuti a dimostrare l'importanza a volte trascurata dei fononi nel comportamento dei materiali topologici. Materiali come questi, le cui proprietà elettriche superficiali sono diverse da quelle del materiale sfuso, sono un'area calda della ricerca attuale. "Penso che questo potrebbe portarci a comprendere ulteriormente i processi che sarebbero alla base di alcuni di questi materiali che hanno molte promesse per il futuro, "dice Andrejevic, che insieme a Han è stato uno degli autori principali del giornale.

"Sebbene sia nota da tempo l'esistenza dell'interazione elettrone-fonone, la previsione sperimentale e l'osservazione di queste interazioni è estremamente rara, " dice il professore di fisica e astronomia Pengcheng Dai alla Rice University, che anche non è stato coinvolto in questo lavoro. Questi risultati, lui dice, "fornire un'eccellente dimostrazione del potere della teoria e degli esperimenti combinati come un modo per estendere la nostra comprensione di questi materiali esotici".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.