Dos Autores Felix G. G. Hernandez, Andrey Baydin, Swati Chaudhary, Fuyang Tay, Ikufumi Katayama, Jun Takeda, Hiroyuki Nojiri, Anderson K. Okazaki, Paulo H. O. Rappl, Eduardo Abramof, Martin Rodriguez-Vega, Gregory A. Fiete e Junichiro Kono.
Em Science Advances - Publicado em 15/12/23.
Informações do pesquisador Felix Hernandez.
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A quiralidade de fônons encontra a topologia eletrônica
Os sólidos possuem formas de vibração coletiva no nível atômico, chamadas de fônons, com propriedades que são determinadas pelas simetrias da rede cristalina. Em particular, quando as simetrias de espelho são quebradas, os fônons apresentam quiralidade e podem realizar movimentos circulares em um plano ou se propagar pelo material formando hélices. Uma nova pesquisa realizada por uma equipe internacional, liderada pelo Prof. Felix Hernandez na Universidade de São Paulo (USP) e pelo Prof. Junichiro Kono na Rice University nos Estados Unidos, demonstrou pela primeira vez que é possível controlar as propriedades destes fônons quirais através da interação com elétrons em materiais topológicos. Sendo que os fônons possuem grande importância fundamental, pois determinam as propriedades elétricas, térmicas e ópticas dos materiais, a descoberta deste controle topológico abre um amplo leque de oportunidades para inovadoras aplicações tecnológicas.
Fônons quirais são um tema de estudo muito novo e com grande atenção na atualidade. Até recentemente não era sequer sabido se excitações coletivas bosônicas, como os fônons, poderiam apresentar quiralidade. Por outro lado, a quiralidade de fermions é um assunto que já foi profundamente estudado no contexto dos isolantes topológicos. Desta forma, existia uma clara necessidade de preencher este vazio no entendimento da quiralidade das partículas (e quase-partículas) que iniciou o interesse da comunidade de matéria condensada no assunto.
O primeiro trabalho teórico prevendo a existência de fônons quirais em materiais bi-dimensionais e a sua respectiva observação experimental ocorreu há menos de 5 anos e focaram em modos de movimento circular confinados em um plano. Posteriormente, desde o ano passado, novos experimentais abordaram a existência de fônons que se propagam por sólidos formando hélices e que lembram espiras de corrente de tamanho atômico. Sendo que os fônons quirais possuem momento angular, seu uso apresenta potencial para novos fenômenos como a geração de campos magnéticos internos ao material ou correntes de spin para aplicações caloritrônicas, entre muitos outros.
Os fônons quirais de terahertz e a conexão com a topologia dos elétrons
Anteriormente, em Phys. Rev. Lett. 128 075901 (2022), os mesmos autores do presente estudo demonstraram que fônons quirais podem ser controlados por campos magnéticos externos. Porém, o momento magnético encontrado em esse e outros artigos foi muito maior do que o esperado. Novas previsões teóricas nos últimos dois anos revelaram que contribuções eletrônicas às propriedades magnéticas dos fônons poderiam ser as responsáveis pelo grande aumento. Como o objetivo de testar este encontro entre os mundos da quiralidade de bosons e a topologia de fermions, a equipe de pesquisadores decidiu produzir e estudar filmes do isolante topológico cristalino Pb(1-x)Sn(x)Te. Este material apresenta uma transição de fase como função da concentração x, o que permitiu caracterizar amostras nas fases trivial e topológica e comparar os resultados.
A determinação da influência da interação entre quiralidade e topologia no momento magnético de fônons ópticos requereu o uso de espectroscopia de terahertz no domínio do tempo (THz-TDS) resolvida em polarização e em baixas temperaturas e campos magnéticos intensos de até 30 T.
Os resultados publicados agora na revista Science Advances podem ser resumidos nos seguintes pontos: - foi obtido um alto grau de dicroísmo circular magnético na fase topológica em campos menores do que os necessários para obter o mesmo grau na fase trivial, - o momento magnético é gigante na fase topológica com um aumento de duas ordens de grandeza em comparação com a fase trivial, - o deslocamento diamagnético também aumenta uma ordem de grandeza. Assim, os dados demonstram que as propriedades magnéticas dos fônons quirais são amplamente aumentadas em materiais topológicos. Desta forma, esquemas para a manipulação de fônons com campos magnéticos, que podem aprimorar a condutividade térmica de dispositivos, podem ser mais facilmente implementadas nesta fase da matéria.
Os materiais para este estudo foram crescidos no INPE. Além das instituições já mencionadas, participaram também diversos grupos teóricos nos Estados Unidos e outros no Japão para a fabricação da instrumentação de altos campos magnéticos. O trabalho recebeu financiamento da FAPESP (Auxílios Regulares 2018/06142-5 e 2023/04245-0) e do CNPq coordenados pelo Prof. Hernandez. Detalhes da instrumentação no IFUSP para estudos de espectroscopia na faixa de terahertz podem ser encontrados em: portal.if.usp.br/terahertz
-> O artigo “Observation of interplay between phonon chirality and electronic band topology” pode ser acessado AQUI.
