I fononi, le modalità vibrazionali collettive degli atomi all'interno di un reticolo cristallino, generano disturbi che si propagano come onde attraverso gli atomi vicini. Questi fononi sono vitali per molte proprietà dei sistemi a stato solido, tra cui la conduttività termica ed elettrica, la diffusione dei neutroni e le fasi quantistiche come le onde di densità di carica e la superconduttività.

Lo spettro dei fononi - essenzialmente l'energia in funzione della quantità di moto - e le loro funzioni d'onda, che rappresentano la loro distribuzione di probabilità nello spazio reale, possono essere calcolati utilizzando i codici del primo principio ab initio. Tuttavia, finora questi calcoli non hanno avuto un principio unificante.

"Per quanto riguarda il comportamento quantistico degli elettroni, la topologia, una branca della matematica, ha classificato con successo le bande elettroniche nei materiali. Questa classificazione mostra che i materiali, che potrebbero sembrare diversi, sono in realtà molto simili. Disponiamo già di cataloghi di comportamenti topologici elettronici, simili a una tavola periodica dei composti Naturalmente, questo ci ha portato a chiederci:la topologia può anche caratterizzare i fononi?". ha spiegato B. Andrei Bernevig, professore di fisica all'Università di Princeton, professore in visita al DIPC e uno degli autori dello studio.

In uno studio pubblicato sulla rivista Science , un team internazionale dell'Università di Princeton, dell'Università di Zhejiang, del DIPC, dell'ENS-CNRS, del Max Planck Institute e dell'Università dei Paesi Baschi ha scoperto che un'ampia gamma di materiali potrebbe ospitare fononi topologici.

La topologia, lo studio delle proprietà preservate attraverso deformazioni continue, viene utilizzata per caratterizzare le varietà. Ad esempio, un nastro di Möbius si distingue da un nastro regolare per una torsione, e una ciambella differisce da una sfera per un foro; questi non possono essere trasformati l'uno nell'altro senza tagliare la varietà.

"Abbiamo prima calcolato le bande fononiche di migliaia di materiali quantistici, identificando le loro funzioni d'onda e caratterizzandole tramite le loro simmetrie, che forniscono una sorta di struttura locale dei fononi", ha detto Yuanfeng Xu, il primo autore dello studio e professore allo Zhejiang. Università. "Dopo aver completato questo passaggio, abbiamo utilizzato la topologia per classificare il comportamento globale delle bande fononiche", ha aggiunto.

Diversi database di strutture fononiche sono stati meticolosamente analizzati, rivelando che almeno la metà dei materiali mostra almeno un insieme di bande fononiche cumulative non atomiche. Il team ha utilizzato un formalismo simile a quello sviluppato per la caratterizzazione delle bande elettroniche, come delineato nel loro precedente lavoro sulla chimica quantistica topologica (TQC).

Un team internazionale di scienziati dell'Università di Princeton, del Donostia International Physics Center (DIPC), dell'Università dei Paesi Baschi (UPV/EHU), dell'Istituto Max Planck, dell'Ecole Normale Supérieure, del CNRS e dell'Università di Zhejiang hanno scansionato diversi database di fononi e predire l'esistenza di fononi topologici in circa 5000 materiali.

I fononi offrono una nuova strada per ottenere topologie di banda non banali nei materiali a stato solido, portando potenzialmente a stati superficiali dei fononi che potrebbero integrare o migliorare gli stati superficiali elettronici.

"La robustezza degli stati fononici superficiali topologici può essere sfruttata per applicazioni come il filtraggio della frequenza o l'attenuazione dell'energia meccanica in condizioni imperfette, nonché per il trasferimento di calore e la fotoelettronica a infrarossi. I fononi topologici potrebbero anche aprire la strada alla creazione di diodi fononici o guide d'onda acustiche, " ha spiegato Nicolas Regnault, professore dell'ENS-CNRS e uno degli autori corrispondenti dello studio.

Analizzando i dati di oltre diecimila materiali, raccolti da calcoli ab-initio e archiviati in database come PhononDB@kyoto-u e Materials Project, hanno scoperto che il 50% dei materiali presenta almeno una lacuna non banale.

"Gli strumenti per questi calcoli sono ospitati sul Server Cristallografico di Bilbao," ha informato Luis Elcoro, professore dell'Università dei Paesi Baschi e altro autore corrispondente.

"Una volta determinati gli autovalori di simmetria delle bande, tutti i tipi di topologie fononiche indicate dalla simmetria possono essere identificati con questi strumenti. Il TQC ha dimostrato di essere un formalismo universale per identificare le proprietà topologiche nei reticoli", ha aggiunto. Elcoro ha anche affermato che "dopo aver sviluppato la teoria e averla implementata nei codici informatici, gli strumenti di diagnosi topologica sono stati resi pubblicamente disponibili sul sito web, consentendo a chiunque di verificare, reinterpretare o espandere le nostre scoperte."

"Abbiamo scoperto più strutture topologiche nei fononi di quanto ci aspettassimo inizialmente, e prevediamo che i fononi topologici porteranno a una fisica ricca e non convenzionale, proprio come hanno fatto gli elettroni topologici", ha affermato Maia G. Vergniory, professoressa al DIPC e Max Planck di Dresda.

Ha sottolineato l'importanza di convalidare le previsioni per i materiali che ospitano fononi topologici, sottolineando che "tali esperimenti potrebbero essere più impegnativi di quelli per la topologia elettronica, a causa della mancanza di tecniche di imaging diretto". I fononi sono stati catalogati in un archivio pubblico, dove i ricercatori possono accedere a materiali specifici.

"Ogni stato superficiale fononico è elencato in questo database; il passo successivo sarebbe che gli sperimentali lo misurassero", ha affermato Nicolas Regnault, sottolineando il ruolo cruciale della verifica sperimentale nel progresso del campo.

Il team immagina una nuova fisica che potrebbe emergere dall’accoppiamento tra elettroni e fononi topologici. Se gli stati topologici della superficie degli elettroni coesistono con quelli fononici, ciò potrebbe facilitare un forte accoppiamento elettrone-fonone sulla superficie, anche se potenzialmente non nella maggior parte, portando potenzialmente alla superconduttività superficiale.

"Ora dobbiamo approfondire la comprensione dell'influenza della topologia sull'accoppiamento elettrone-fonone", ha concluso Bernevig, evidenziando i prossimi passi della loro ricerca.