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。但为了设计具有这种特性的材料，科学家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方式。
下图展示了带有宽带光学器件的莱斯高级磁铁(RAMBO)的设置和功能。这种独特的仪器使研究人员能够使用脉冲激光光谱来检查同时冷却到接近绝对零并受到大量磁能脉冲影响的材料的行为。图片来源：河野纯一郎实验室
“声子对于研究新材料非常重要，因为它们控制着多种材料特性，例如热导率和载流子特性，”应用物理学研究生FuyangTay说，他正在研究带有宽带光学的莱斯先进磁体(RAMBO)，这是一种台式光谱仪在莱斯大学河野淳一郎的实验室里。“例如，人们广泛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(也称为手性声子)所携带的磁矩越来越感兴趣。但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FelixHernandez和莱斯大学助理研究教授AndreyBaydin领导的国际研究小组发表了一项研究，详细介绍了这些量子旋转托钵僧的磁性与材料的电子能带结构的基础拓扑之间的复杂联系。，它决定了电子的能级范围。
这一发现丰富了关于声子的知识体系，不仅为通过磁场更有效地操纵声子打开了大门，而且为先进材料的开发打开了大门。
在之前的一项研究中，Baydin及其同事对碲化铅(一种简单的半导体材料)施加了磁场。当他们这样做时，他们发现声子停止以线性方式振动，并变成手性的，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，”贝丁说。“如果我们了解这些相互作用的特性，我们就可以利用它们。不同的特性可以实现材料的不同潜在应用。”
在注意到他们首先关注的材料中手性声子的磁矩非常小后，研究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。
“我们采用了碲化铅并在其中添加了锡，”贝丁说。“如果添加足够多的物质，就会发生能带反转，从而产生受拓扑保护的表面态。这些材料很有趣，因为它们在整体上是绝缘的，但具有导电的电子表面态——这是一个非常有前途的特性，可以在新型电子设备中加以利用。”
额外的实验表明，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。
Baydin说：“我们的研究结果揭示了对该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的基础电子能带结构拓扑之间的复杂联系。”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设备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，”泰说。“此外，手性声子和电子结构拓扑之间的相互作用提出了通过控制声子来影响拓扑相位的可能性。”
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