Comment trouver de nouveaux matériaux avec des propriétés très spécifiques, par exemple, des propriétés électroniques spéciales qui sont nécessaires pour les ordinateurs quantiques ? C'est généralement une tâche très compliquée:divers composés sont créés, dans lesquels des atomes potentiellement prometteurs sont disposés dans certaines structures cristallines, puis le matériau est examiné, par exemple dans le laboratoire à basse température de TU Wien.

Aujourd'hui, une coopération entre l'Université Rice (Texas), la TU Wien et d'autres instituts de recherche internationaux a réussi à trouver des matériaux appropriés sur l'ordinateur. De nouvelles méthodes théoriques sont utilisées pour identifier des candidats particulièrement prometteurs parmi le grand nombre de matériaux possibles. Des mesures à TU Wien ont montré que les matériaux ont effectivement les propriétés requises et que la méthode fonctionne. C'est une avancée importante pour la recherche sur les matériaux quantiques. Les résultats viennent d'être publiés dans la revue Nature Physics .

Semi-métaux topologiques

La Rice University au Texas et la TU Wien ont déjà collaboré avec beaucoup de succès ces dernières années dans la recherche de nouveaux matériaux quantiques aux propriétés très particulières :en 2017, les deux groupes de recherche ont présenté le premier « semi-métal Weyl-Kondo », un matériau qui pourraient potentiellement jouer un rôle important dans la recherche sur les technologies informatiques quantiques.

"Les électrons d'un tel matériau ne peuvent pas être décrits individuellement", explique le professeur Silke Bühler-Paschen de l'Institut de physique du solide de la TU Wien. "Il y a des interactions très fortes entre ces électrons, ils interfèrent entre eux comme des ondes selon les lois de la physique quantique, et en même temps ils se repoussent à cause de leur charge électrique."

C'est précisément cette forte interaction qui conduit aux excitations des électrons, qui ne peuvent être décrites qu'à l'aide de méthodes mathématiques très élaborées. Dans les matériaux actuellement étudiés, la topologie joue également un rôle important - c'est une branche des mathématiques qui traite des propriétés géométriques qui ne sont pas modifiées par une déformation continue, comme le nombre de trous dans un beignet, qui reste le même même si le le beignet est légèrement pressé.

De la même manière, les états électroniques dans le matériau peuvent rester stables même si le matériau est légèrement perturbé. C'est précisément pourquoi ces états sont si utiles pour des applications pratiques telles que les ordinateurs quantiques.

Utiliser l'ordinateur pour identifier les candidats potentiels

Il est impossible de calculer le comportement de tous les électrons en interaction forte dans le matériau - aucun supercalculateur au monde n'est capable de le faire. Mais sur la base des découvertes précédentes, il a maintenant été possible de développer un principe de conception qui utilise des calculs de modèle simplifiés combinés à des considérations mathématiques de symétrie et une base de données de matériaux connus pour fournir des suggestions quant à ceux de ces matériaux qui pourraient avoir les propriétés topologiques théoriquement attendues. /P>

"Cette méthode a fourni trois de ces candidats, et nous avons ensuite produit l'un de ces matériaux et l'avons mesuré dans notre laboratoire à basse température", explique Silke Bühler-Paschen. "Et en effet, ces premières mesures indiquent qu'il s'agit d'un semi-métal topologique hautement corrélé, le premier à être prédit sur une base théorique à l'aide d'un ordinateur."

Une clé importante du succès était d'exploiter intelligemment les symétries du système :"Ce que nous avons postulé, c'est que les excitations fortement corrélées sont toujours soumises à des exigences de symétrie. À cause de cela, je peux en dire beaucoup sur la topologie d'un système sans recourir à des calculs ab initio qui sont souvent nécessaires mais particulièrement difficiles pour étudier des matériaux fortement corrélés », explique Qimiao Si de l'Université Rice. "Tout indique que nous avons trouvé un moyen robuste d'identifier les matériaux qui ont les caractéristiques que nous voulons." + Explorer plus loin

Méthode de démonstration des physiciens pour la conception de métaux topologiques