Аномалия Кона и электрон-фононные взаимодействия
То, как электроны взаимодействуют с фононами, определяет физические процессы, происходящие внутри многих электронных устройств
Экзотическое физическое явление, известное как аномалия Кона, было впервые обнаружено в неожиданном типе материала исследователями из Массачусетского технологического института. Они говорят, что это открытие может дать новое понимание некоторых фундаментальных процессов, которые помогут определить, почему металлы и другие материалы демонстрируют сложные электронные свойства, лежащие в основе большей части современных технологий.
То, как электроны взаимодействуют с фононами, которые, по сути, являются колебаниями, проходящими через кристаллический материал, определяет физические процессы, происходящие внутри многих электронных устройств.
Эти взаимодействия влияют на то, как металлы сопротивляются электрическому току, на температуру, при которой некоторые материалы внезапно становятся сверхпроводниками, и на очень низкие требования к температуре для квантовых компьютеров, среди многих других процессов.
Но электрон-фононные взаимодействия было трудно изучить подробно, потому что они, как правило, очень слабы.
Текущее исследование обнаружило новый, более сильный вид необычного электрон-фононного взаимодействия: исследователи вызвали аномалию Кона, которая ранее считалась существующей только в металлах, в экзотическом материале, называемом топологическим полуметаллом Вейля.
Это открытие может помочь пролить свет на важные аспекты сложного взаимодействия между электронами и фононами, говорят они.
Аномалии Кона, впервые обнаруженные в 1950-х годах физиком Вальтером Коном, отражают внезапное изменение, иногда описываемое как своего рода изгиб или покачивание, в графике, описывающем физический параметр, называемый функцией отклика электрона.
Этот разрыв в гладкой кривой отражает внезапное изменение способности электронов экранировать фононы. Это может привести к возникновению неустойчивостей в распространении электронов через материал и может привести ко многим новым электронным свойствам.
Эти аномалии наблюдались ранее в некоторых металлах и в других высокоэлектропроводных материалах, таких как графен, но никогда не были замечены или предсказаны ранее в «топологическом материале», электрическое поведение которого устойчиво к возмущениям.
В этом случае был обнаружен вид топологического материала, называемый полуметаллом Вейля, в частности фосфид тантала, способный проявлять эту необычную аномалию. В отличие от обычных металлов, где свойство, называемое поверхностью Ферми, приводит к образованию аномалии Кона, в этом материале движущей силой служат точки Вейля.
В обычном металле аномалия Кона может произойти, когда фонон (q) связывает две части свойства, называемого поверхностью Ферми, которая показана синим цветом. В полуметалле Вейля аномалия Кона возникает, когда фонон связывает две отдельные точки Вейля (kw1-kw2). © MIT
Поскольку электрон-фононные связи происходят практически везде и всегда, они могут быть основным источником помех в сложных физических системах, таких как те, которые используются для представления данных в квантовых компьютерах.
Измерить силу этих взаимодействий, что является ключом к знанию того, как защитить такие квантовые технологии, было очень трудно, но это новое открытие обеспечивает способ проведения таких измерений. «Аномалия Кона может быть использована для количественной оценки того, насколько сильной может быть электрон-фононная связь», — говорят ученые.
Более глубокое понимание электронно-фононных связей может помочь разработать такие материалы, как лучшие высокотемпературные сверхпроводники или отказоустойчивые квантовые компьютеры, говорят исследователи. Этот новый инструмент может быть использован для исследования свойств материалов в поисках тех, которые остаются относительно незатронутыми при более высоких температурах.
Эта работа помогает продемонстрировать иногда упускаемую из виду важность фононов в поведении топологических материалов. Такие материалы, поверхностные электрические свойства которых отличаются от свойств сыпучего материала, являются горячей областью текущих исследований.
«Хотя давно известно, что электрон-фононное взаимодействие существует, экспериментальное предсказание и наблюдение этих взаимодействий чрезвычайно редки», — говорят ученые. Полученные результаты дают прекрасную демонстрацию силы комбинированной теории и экспериментов как способа расширить наше понимание экзотических материалов.
Thanh Nguyen et al. Topological Singularity Induced Chiral Kohn Anomaly in a Weyl Semimetal, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.236401