L'état semi-métallique de Weyl est induit lorsque les mouvements opposés des électrons provoquent la division des cônes de Dirac en deux (illustré à gauche par des électrons tournés vers l'extérieur, en face des électrons tournés vers l'intérieur sur la droite). L'état anormal permet un plus grand flux électrique avec une résistance minimale. Crédit :ORNL/Jill Hemman
L'observation d'un état anormal de la matière dans un matériau magnétique bidimensionnel est le dernier développement dans la course pour exploiter de nouvelles propriétés électroniques pour des dispositifs de nouvelle génération plus robustes et efficaces.
La diffusion des neutrons au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du Département de l'énergie (DOE) a aidé une équipe multi-institutionnelle dirigée par l'Université de Tulane à étudier un matériau de type graphène à base de strontium-manganèse-antimoine (Sr
Les propriétés des semi-métaux de Weyl incluent à la fois le magnétisme et le comportement topologique des semi-métaux, dans lequel les électrons - ou porteurs de charge - sont presque sans masse et immunisés contre les défauts de conduction. Les résultats de l'équipe ont été publiés dans la revue Matériaux naturels .
Les mesures de diffusion des neutrons au High Flux Isotope Reactor, une installation utilisateur du DOE Office of Science à l'ORNL, et des études de champ magnétique au laboratoire national de champ magnétique élevé de la Florida State University ont découvert des comportements mécanistes clés sous-tendant la relation du matériau quantique entre le transport d'électrons et le magnétisme.
« Les semi-métaux de Weyl sont une sorte de Saint Graal en physique en ce moment, " a déclaré Alan Tennant, scientifique en chef à la Direction des sciences neutroniques de l'ORNL. "Certains de ces types de matériaux présentent un comportement quantique à température ambiante, c'est précisément ce qui doit être réalisé pour ouvrir la voie à l'électronique quantique. »
Nettement plus résistant que l'acier, et un excellent conducteur de chaleur et d'électricité, Le graphène est un matériau de construction hautement souhaitable pour l'électronique. Cependant, il manque des propriétés magnétiques traditionnelles nécessaires pour obtenir un meilleur contrôle du transport des électrons. C'est pourquoi les chercheurs recherchent des semi-métaux Weyl, dit Qiang Zhang, un scientifique invité de la Louisiana State University (LSU) travaillant au Shull Wollan Center de l'ORNL, un institut conjoint des sciences neutroniques.
"Les semi-métaux de Weyl sont rares, et la plupart d'entre eux sont non magnétiques. Nous en avons trouvé un qui est magnétique, " a déclaré Zhang. " Si nous pouvons mieux comprendre les comportements électroniques que nous avons trouvés dans ce matériau, cela pourrait accélérer considérablement les technologies informatiques et de téléphones intelligents. »
Les électrons du graphène ont une propriété célèbre :ils forment un "cône de Dirac", dans lequel leur quantité de mouvement et leur énergie sont liées à peu près de la même manière que dans la lumière.
Contrairement au graphène, le matériel de l'équipe présente un magnétisme traditionnel, ou ferromagnétisme, ce qui signifie que les électrons s'alignent dans un arrangement parallèle comme les pôles nord et sud d'un aimant barre typique. Mais il présente également un antiferromagnétisme, dans lequel les électrons pointent dans des directions opposées à leurs électrons voisins.
Le magnétisme a un effet profond, Tennant explique. Les mouvements opposés des électrons provoquent la déchirure ou la division du cône de Dirac en deux, de sorte que deux nouveaux cônes se forment. Cela brise un principe connu sous le nom de symétrie d'inversion du temps, ce qui signifie que le système ne serait pas le même si le temps était rembobiné. "Pensez à une toupie qui marche à l'envers, " il dit.
Lorsque les deux cônes brisent la symétrie d'inversion du temps, ils induisent un état semi-métallique de Weyl dans lequel les électrons perdent de la masse.
L'importance est que les électrons, comme beaucoup de particules, avoir de la masse. À cause de cela, en plus des tailles de plus en plus petites de transistors et de matériaux porteurs de charges similaires, les électrons ont tendance à s'étrangler, ou créer des embouteillages. Dans les semi-métaux de Weyl, les électrons ressemblent davantage à des porteurs de charge qui se comportent comme s'ils étaient presque sans masse, ce qui les rend très mobiles.
Examiner un petit, cristal de haute qualité cultivé à l'université de Tulane, l'équipe a pu déterminer la structure magnétique de Sr1-yMn1-zSb2, utilisant des neutrons au diffractomètre à quatre cercles du réacteur isotopique à haut flux.
Les neutrons sont des outils idéaux pour identifier et caractériser le magnétisme dans presque tous les matériaux, parce qu'ils, comme les électrons, présentent un flux de magnétisme appelé « spin ».
"Nous avons découvert deux types d'ordres ferromagnétiques et trouvé la preuve expérimentale de la brisure de la symétrie par inversion du temps, créant probablement un état de Weyl dans Sr1-yMn1-zSb2. Cela fait de ce système un excellent candidat pour étudier l'effet de la brisure de la symétrie par inversion du temps sur la structure de la bande électronique, " dit Zhang.
