具有增强导热性的材料对于开发支持通信、清洁能源和航空航天应用的先进设备至关重要。但是，为了设计具有这种特性的材料，科学家们需要了解声子或原子振动的量子单位在特定物质中的行为。
“声子对于研究新材料非常重要，因为它们控制着几种材料特性，如导热性和载流子特性，”应用物理学研究生Fuyang Tay说，他在莱斯大学Junichiro Kono实验室的桌面光谱仪Rice Advanced Magnet with Broadband Optics工作。“例如，人们普遍认为超导性是由电子-声子相互作用产生的。
“最近，人们对显示圆周运动的声子模式所携带的磁矩越来越感兴趣。但是导致大声子磁矩的机制尚不清楚。
现在，由巴西圣保罗大学的费利克斯·埃尔南德斯和赖斯大学助理研究教授安德烈·贝丁领导的国际研究小组发布了一项研究，详细介绍了这些量子旋转苦行僧的磁性与材料的电子能带结构的基本拓扑结构之间的复杂联系，这决定了电子在其中的能级范围。
这一发现增加了对声子日益增长的知识体系，不仅为通过磁场更有效地操纵声子打开了大门，也为先进材料的发展打开了大门。
在之前的一项研究中，Baydin及其同事将磁场应用于碲化铅，这是一种简单的半导体材料。当他们这样做时，他们看到声子停止以线性方式振动，并变成手性，以圆周运动移动。
“手性声子之间的相互作用与线性移动的声子不同，”Baydin说。“如果我们了解这些相互作用的特性，我们就可以利用它们。不同的性能可以在材料中实现不同的潜在应用。
在注意到手性声子的磁矩在他们最初关注的材料中非常小之后，该小组想知道改变材料的拓扑结构⎯或电子能带结构⎯是否会影响磁性。为了回答这个问题，研究人员测试了一种称为晶体拓扑绝缘体的新材料。
“我们先用碲化物并添加了锡，”Baydin说。“如果你添加足够多的东西，就会发生一种叫做带反演的东西，产生拓扑保护的表面状态。这些材料令人着迷，因为它们是散装绝缘的，但具有导电的电子表面状态⎯这是一个非常有前途的特性，可以在新型电子设备中利用。
进一步的实验表明，拓扑材料中的手性声子磁矩比没有这种电子拓扑的材料大两个数量级。
“我们的研究结果揭示了对这种材料中声子磁性的令人信服的新见解，并强调了手性声子的磁性与材料底层电子能带结构拓扑之间的复杂联系，”Baydin说。他补充说，该小组计划在未来进行进一步的实验，以更好地了解声子行为的其他方面。
Tay补充说，这些结果表明，声子的磁矩在拓扑材料中显着增强，可以帮助材料科学家根据不同器件应用的需要搜索和设计具有更大声子磁矩的材料。
“这一观察结果为如何控制和操纵声子特性以改变热导率提供了新的见解，”Tay说。“此外，手性声子和电子结构拓扑之间的相互作用增加了拓扑相位可能受到控制声子影响的可能性。
