צוות מחקר בינלאומי הראה שניתן לסווג פונונים, החלקיקים הקוונטיים מאחורי תנודות החומר, באמצעות טופולוגיה, בדומה להקות אלקטרוניות בחומרים. פריצת דרך זו עשויה להוביל לפיתוח של חומרים חדשים בעלי תכונות תרמיות, חשמליות ומכאניות ייחודיות, ולשפר את ההבנה והמניפולציה שלנו בפיסיקה של מצב מוצק.
חוקרים מקונסורציום בינלאומי פרסמו מחקר פורץ דרך שמקדם את תחום הפיזיקה של המצב המוצק.
קבוצה בינלאומית של חוקרים מצאה שניתן לסווג חלקיקים קוונטיים, הממלאים תפקיד מפתח בתנודות של חומרים המשפיעים על יציבותם ומאפיינים אחרים, באמצעות טופולוגיה. הידועים כפונונים, חלקיקים אלה מייצגים את דפוסי הרטט הקולקטיביים של אטומים בתוך מבנה גבישי. הם יוצרים הפרעות שמתפשטות כמו גלים לאטומים סמוכים. פונונים חיוניים למספר מאפיינים של מוצקים, כגון מוליכות תרמית וחשמלית, פיזור נויטרונים ומצבים קוונטיים כולל גלי צפיפות מטען ומוליכות-על.
הספקטרום של הפונונים – בעיקרו של דבר האנרגיה כפונקציה של התנע – ופונקציות הגלים שלהם, המייצגות את התפלגות ההסתברות שלהם במרחב האמיתי, ניתנים לחישוב באמצעות קודי עיקרון ראשון. עם זאת, חישובים אלו חסרו עד כה עיקרון מאחד. "עבור ההתנהגות הקוונטית של אלקטרונים, הטופולוגיה – ענף של מתמטיקה – סיווגה בהצלחה את הרצועות האלקטרוניות בחומרים. סיווג זה מראה כי חומרים, אשר עשויים להיראות שונים, למעשה דומים מאוד.
יש לנו כבר קטלוגים של התנהגויות טופולוגיות אלקטרוניות, בדומה לטבלה מחזורית של תרכובות. באופן טבעי, זה הוביל אותנו לשאלה: האם טופולוגיה יכולה לאפיין גם פונונים?" הסביר B. Andrei Bernevig, פרופסור לפיזיקה ב אוניברסיטת פרינסטוןפרופסור אורח ב-DIPC, ואחד ממחברי המחקר.
גילוי של פונונים טופולוגיים
במחקר שפורסם בכתב העת מַדָע, צוות בינלאומי מאוניברסיטת פרינסטון, אוניברסיטת ג'ה-ג'יאנג, DIPC, ENS-CNRS, מכון מקס פלנק ואוניברסיטת חבל הבאסקים חשף שמגוון רחב של חומרים יכול לארח פונונים טופולוגיים. טופולוגיה, חקר התכונות שנשמרו באמצעות דפורמציות מתמשכות, משמשת לאפיון סעפות. לדוגמה, רצועת מוביוס נבדלת מרצועה רגילה על ידי פיתול, וסופגנייה נבדלת מכדור על ידי חור; לא ניתן להפוך אותם זה לזה מבלי לחתוך את הסעפת.
"חישבתנו תחילה את להקות הפונונים של אלפי חומרים קוונטיים, זיהינו את פונקציות הגל שלהם ואפיינו אותם לפי הסימטריות שלהם, המספקות מעין מבנה מקומי של הפונונים", אמר יואנפנג שו, המחבר הראשון של המחקר ופרופסור בג'ג'יאנג. אוּנִיבֶרְסִיטָה. "לאחר השלמת שלב זה, השתמשנו בטופולוגיה כדי לסווג את ההתנהגות הגלובלית של להקות הפונון", הוסיף.
מספר מסדי נתונים של מבנה פונון נותחו בקפדנות, וגילו שלפחות מחצית מהחומרים מציגים לפחות סט פס פוני מצטבר אחד שאינו אטומי. הצוות השתמש בפורמליזם דומה לזה שפותח לאפיון להקות אלקטרוניות, כפי שתואר בעבודתם הקודמת על כימיה קוונטית טופולוגית (TQC).
צוות בינלאומי של מדענים מאוניברסיטת פרינסטון, המרכז הבינלאומי לפיזיקה דונוסטיה (DIPC), אוניברסיטת חבל הבאסקים (UPV/EHU), מכון מקס פלנק, l'Ecole Normale Supérieure, CNRS ואוניברסיטת ג'ג'יאנג סרק כמה מסדי נתונים של פונון ולחזות את קיומם של פונונים טופולוגיים בכ-5000 חומרים.
Phonon מציעים שדרה חדשה להשגת טופולוגיות פס לא טריוויאליות בחומרי מצב מוצק, מה שעלול להוביל למצבי פני פונון שיכולים להשלים או לשפר מצבי פני שטח אלקטרוניים. "ניתן למנף את החוסן של מצבי פונון פני השטח הטופולוגיים עבור יישומים כמו סינון תדרים או הנחתת אנרגיה מכנית בתנאים לא מושלמים, כמו גם עבור העברת חום ופוטו-אלקטרוניקה אינפרא אדום. פונונים טופולוגיים יכולים גם לסלול את הדרך ליצירת דיודות פונון או מובילי גל אקוסטיים", הסביר ניקולס רגנו, פרופסור ב-ENS-CNRS ואחד המחברים המקבילים של המחקר. בניתוח נתונים של למעלה מעשרת אלפים חומרים, שנאספו מחישובי אב-initio ונשמרו בבסיסי נתונים כמו PhononDB@kyoto-u ו-Materials Project, הם גילו ש-50% מהחומרים מציגים לפחות פער אחד לא טריוויאלי. "הכלים לחישובים אלה מתארחים בשרת הקריסטלוגרפי של בילבאו", הודיע לואיס אלקורו, פרופסור באוניברסיטת חבל הבאסקים ומחבר מקביל נוסף.
"ברגע שהערכים העצמיים של הסימטריה של הרצועות נקבעים, ניתן לזהות את כל סוגי הטופולוגיות של פונון המצוינות על סימטריה על ידי הכלים הללו. TQC הוכח כפורמליזם אוניברסלי לזיהוי תכונות טופולוגיות בסריגים", הוסיף. אלקורו גם הזכיר כי "לאחר שפיתחה את התיאוריה והטמעתה בקודי מחשב, כלי האבחון הטופולוגי הפכו לזמינים לציבור באתר, ומאפשרים לכל אחד לאמת, לפרש מחדש או להרחיב את הממצאים שלנו".
מסקנה והצעדים הבאים
"גילינו יותר מבנים טופולוגיים בפונונים ממה שציפינו בתחילה, ואנו צופים שפונונים טופולוגיים יובילו לפיזיקה עשירה ולא שגרתית, בדומה לאלקטרונים טופולוגיים", אמרה מאיה ג'י ורגניורי, פרופסור ב-DIPC ומקס פלאנק בדרזדן. היא הדגישה את החשיבות של אימות תחזיות לחומרים המארחים פונונים טופולוגיים, וציינה כי "ניסויים כאלה עשויים להיות מאתגרים יותר מאלו של טופולוגיה אלקטרונית, בשל היעדר טכניקות הדמיה ישירות". הפונונים קוטלגו במאגר ציבורי, שבו חוקרים יכולים לגשת לחומרים ספציפיים. "כל מצב פני שטח פונוני רשום במסד הנתונים הזה; השלב הבא יהיה שניסויים ימדוד אותם", אמר ניקולס רגנו, והדגיש את התפקיד המכריע של אימות ניסוי בקידום התחום.
הצוות חוזה פיזיקה חדשה שעשויה לצוץ מהצימוד בין אלקטרונים טופולוגיים לפונונים. אם מצבי משטח אלקטרונים טופולוגיים מתקיימים יחד עם מצבים פונוניים, הדבר עשוי להקל על צימוד אלקטרוני-פונון חזק על פני השטח – אם כי פוטנציאל לא בכמות גדולה – שעלול להוביל למוליכות-על פני השטח. "כעת עלינו להתעמק בהבנת השפעת הטופולוגיה על צימוד אלקטרונים-פונון", סיכם ברנביג, והדגיש את השלבים הבאים במחקרם.
