Geliştirilmiş termal iletkenlik malzemeleri, temiz enerji, iletişim ve hava taşıtlarındaki uygulamaları destekleyen son teknoloji elektronikler yaratmak için gereklidir. Ancak, bilim insanları bu özelliğe sahip malzemeler yaratmak için belirli bir malzemedeki fononların (atomik titreşimin kuantum birimleri) davranışını anlamalıdır.
Rice Üniversitesi’ndeki uygulamalı fizik yüksek lisans öğrencisi Fuyang Tay, “Yeni malzemeler üzerinde çalışan araştırmacılar, taşıyıcı özellikleri ve termal iletkenlik dahil olmak üzere birçok malzeme özelliğini kontrol ettikleri için fononlara çok dikkat etmelidir” dedi.
Örneğin, elektron-fonon etkileşimlerinin süperiletkenliğin kaynağı olduğu yaygın olarak kabul edilmektedir.
“Dairesel hareket sergileyen fonon modları veya kiral fononlar tarafından taşınan manyetik moment, son zamanlarda artan bir ilgi görmüştür. Ancak, oldukça büyük bir fonon manyetik momentine yol açabilecek mekanizmalar hakkında hiçbir şey bilinmemektedir.”
Rice Üniversitesi’nden Andrey Baydin ve São Paulo Üniversitesi’nden Felix Hernandez liderliğindeki bir araştırmacı grubu, elektronların içinde sahip olabileceği enerji seviyeleri aralığını belirleyen bir malzemenin elektronik bant yapısı ile bu kuantum semazenlerin manyetik özellikleri arasındaki karmaşık ilişkileri açıklayan bir çalışma yayınladı.
Bu keşif, fononlara ilişkin anlayışımızı genişletmekte ve manyetik alanlar kullanılarak daha verimli fonon manipülasyonunun yanı sıra gelişmiş malzemelerin yaratılması için fırsatlar sunmaktadır.
Kurşun tellür, Baydin ve arkadaşları tarafından daha önce yapılan bir araştırmada manyetik alana maruz bırakılan basit bir yarı iletkendir. Bunu yapar yapmaz, fononların doğrusaldan kirale dönüştüğünü ve bir daire içinde hareket ettiğini fark ettiler.
Baydin’e göre, kiral fononlar birbirleriyle etkileşimlerinde doğrusal fononlardan farklı davranırlar. Eğer özelliklerini bilirsek bu değişimlerden faydalanabiliriz. Özelliklerdeki değişimler, malzemeler için çeşitli olası kullanımlara yol açabilir.
Bilim insanları, başlangıçta odaklandıkları malzemede kiral fononların manyetik momentinin oldukça küçük olduğunu gözlemledikten sonra, malzemenin yapısını değiştirmenin manyetik özelliklerini etkileyip etkilemeyeceğini sorguladılar. Araştırmacılar bir cevap bulmak için kristal topolojik yalıtkan olarak bilinen yeni bir maddeyi teste tabi tuttular.
Baydin, “Kurşun tellürüre kalay ekledik” dedi. “Yeterince eklediğinizde topolojik olarak korunan yüzey durumlarıyla sonuçlanan bant tersinmesi meydana geliyor. Bu malzemelerle ilgili ilginç olan şey, yığın halinde yalıtkan olmalarına rağmen, iletken elektronik yüzey durumları sergilemeleridir – yenilikçi elektronik cihazlarda kullanılabilecek çok umut verici bir özellik.”
Daha ileri incelemeler, topolojik malzemede, bu tür elektronik topolojiye sahip olmayan malzemeye kıyasla, kiral fononların manyetik momentinin iki kat daha büyük olduğunu gösterdi.
Baydin’e göre, bu malzemedeki kiral fononların manyetik özellikleri, kiral fonon manyetik özellikleri ile malzemenin altında yatan elektronik bant yapısı topolojisi arasındaki karmaşık ilişkiyi de vurgulayan bulgularımızla zorlayıcı bir şekilde ortaya çıkıyor. Baydin, grubun gelecekte fonon aktivitesinin diğer yönlerini daha derinlemesine anlamak için daha fazla test yapmayı planladığını söyledi.
Tay’a göre, malzeme bilimciler çeşitli cihaz uygulamaları için daha büyük fonon manyetik momentlerine sahip malzemeler arayabilir ve tasarlayabilir. Bu çalışmalar, fononların manyetik momentinin topolojik malzemelerde büyük ölçüde arttığını gösteriyor.
Tay’a göre bu keşif, termal iletkenliği değiştirmek için fonon özelliklerinin nasıl düzenleneceği ve değiştirileceği konusunda yeni perspektifler sunuyor. Dahası, elektronik yapı topolojisi ve kiral fononların birleşmesi, fononların manipüle edilmesinin topolojik fazı etkileyebileceğini göstermektedir.
Kaynak: https://phys.org/news
