Des chercheurs du département de théorie du MPSD à Hambourg et de l'université d'État de Caroline du Nord aux États-Unis ont démontré que l'état semi-métallique magnétique de Weyl tant recherché peut être induit par des impulsions laser ultrarapides dans une classe tridimensionnelle de matériaux magnétiques appelés iridates de pyrochlore. . leurs résultats, qui ont été publiés dans Communication Nature , pourrait permettre des dispositifs de commutation topologiques magnéto-optiques à grande vitesse pour l'électronique de nouvelle génération.

Toutes les particules élémentaires connues peuvent être classées en deux catégories :les bosons et les fermions. Les bosons portent des forces comme la force magnétique ou la gravité, tandis que les fermions sont les particules de matière, comme les électrons. Théoriquement, il a été prédit que les fermions eux-mêmes peuvent venir en trois espèces, du nom des physiciens Dirac, Weyl et Majorana.

Les électrons dans l'espace libre sont des fermions de Dirac, mais dans les solides, ils peuvent changer de nature. Dans le graphène, un matériau de carbone atomiquement mince, ils deviennent des fermions de Dirac sans masse. Dans d'autres matériaux récemment découverts et fabriqués, ils peuvent aussi devenir des fermions de Weyl et Majorana, ce qui rend ces matériaux intéressants pour les technologies futures telles que les ordinateurs quantiques topologiques et d'autres nouveaux dispositifs électroniques.

En combinaison avec une vague de bosons, à savoir des photons dans un laser, les fermions peuvent être transformés d'un type à un autre, tel que proposé par les théoriciens du MPSD en 2016. Maintenant, une nouvelle étude dirigée par Ph.D. L'étudiant Gabriel Topp du groupe Emmy Noether de Michael Sentef suggère que les spins des électrons peuvent être manipulés par de courtes impulsions lumineuses pour créer une version magnétique des fermions de Weyl à partir d'un isolant magnétique. Sur la base d'une étude préalable menée par le chercheur postdoctoral MPSD Nicolas Tancogne-Déjean et le directeur de la théorie Angel Rubio, les scientifiques ont utilisé l'idée de la répulsion électron-électron contrôlée par laser pour supprimer le magnétisme dans un matériau d'iridate pyrochlore où les spins des électrons sont positionnés sur un réseau de tétraèdres.

Sur ce treillis, spins d'électrons, comme de petites aiguilles de boussole, pointer all-in au centre du tétraèdre et all-out dans le voisin. Ce tout compris, combinaison tous azimuts, ainsi que la longueur des aiguilles de la boussole, conduit à un comportement isolant dans le matériau sans stimulation lumineuse. Cependant, des simulations informatiques modernes sur de grands clusters informatiques ont révélé que lorsqu'une courte impulsion lumineuse frappe le matériau, les aiguilles se mettent à tourner de telle sorte que, en moyenne, elles ressemblent à des aiguilles plus courtes avec un ordre magnétique moins fort. Fait de la bonne manière, cette réduction du magnétisme conduit le matériau à devenir semi-métallique avec des fermions de Weyl émergeant comme les nouveaux porteurs d'électricité en lui.

"C'est un très bon pas en avant pour apprendre comment la lumière peut manipuler les matériaux sur des échelles de temps ultracourtes, " dit Michael Sentef. Gabriel Topp dit, "Nous avons été surpris par le fait que même une impulsion laser trop forte qui devrait conduire à une suppression complète du magnétisme et un métal standard sans fermions de Weyl pourrait conduire à un état de Weyl. C'est parce que sur des échelles de temps très courtes, le matériau n'a pas assez de temps pour trouver un équilibre thermique. Quand tout tremble d'avant en arrière, il faut un certain temps jusqu'à ce que l'énergie supplémentaire de l'impulsion laser soit répartie uniformément entre toutes les particules du matériau."

Les scientifiques sont optimistes quant au fait que leurs travaux stimuleront davantage de travaux théoriques et expérimentaux dans ce sens. "Nous ne faisons que commencer à apprendre à comprendre les nombreuses belles façons dont la lumière et la matière peuvent se combiner pour produire des effets fantastiques et nous ne savons même pas ce qu'elles pourraient être aujourd'hui, ", déclare Angel Rubio. "Nous travaillons très dur avec un groupe dévoué et très motivé de jeunes scientifiques talentueux du MPSD pour explorer ces possibilités presque illimitées afin que la société puisse bénéficier de nos découvertes."