Les chercheurs de Princeton, Yale, et l'Université de Zurich ont proposé une approche basée sur la théorie pour caractériser une classe de métaux qui possèdent des propriétés électroniques exotiques qui pourraient aider les scientifiques à trouver d'autres, matériaux dotés de la même manière.

Publié dans la revue Examen physique X , l'étude a décrit une nouvelle classe de métaux basée sur leur symétrie et une classification mathématique connue sous le nom de nombre topologique, qui est prédictif de propriétés électroniques spéciales. Les matériaux topologiques ont suscité un vif intérêt pour la recherche depuis le début des années 2000, culminant avec le prix Nobel de physique de l'année dernière décerné à trois physiciens, dont le professeur de Princeton F. Duncan Haldane, pour leurs découvertes théoriques dans ce domaine.

"La classification topologique est une manière très générale d'examiner les propriétés des matériaux, " a déclaré Lukas Muechler, un étudiant diplômé de Princeton dans le laboratoire du professeur Roberto Car et auteur principal de l'article.

Une façon populaire d'expliquer cette classification mathématique abstraite implique des articles de petit-déjeuner. Dans la classification topologique, les beignets et les tasses à café sont équivalents car ils ont tous deux un trou et peuvent être déformés en douceur l'un dans l'autre. Pendant ce temps, les beignets ne peuvent pas se déformer en muffins, ce qui les rend inéquivalents. Le nombre de trous est un exemple d'invariant topologique égal pour le beignet et la tasse à café, mais fait la distinction entre le beignet et le muffin.

"L'idée est que vous ne vous souciez pas vraiment des détails. Tant que deux matériaux ont les mêmes invariants topologiques, on peut dire qu'ils sont topologiquement équivalents, " il a dit.

L'intérêt de Muechler et de ses collègues pour la classification topologique de cette nouvelle classe de métaux a été suscité par une découverte particulière dans le laboratoire voisin du professeur Robert Cava de Princeton. En cherchant la supraconductivité dans un cristal appelé WTe2, le laboratoire Cava a plutôt découvert que le matériau pouvait continuellement augmenter sa résistance en réponse à des champs magnétiques toujours plus forts - une propriété qui pourrait être utilisée pour construire un capteur de champs magnétiques.

L'origine de cette propriété était, cependant, mystérieux. "Ce matériau a des propriétés très intéressantes, mais il n'y avait eu aucune théorie autour de ça, ", a déclaré Muechler.

Les chercheurs ont d'abord examiné l'arrangement des atomes dans le cristal WTe2. Les modèles dans l'arrangement des atomes sont connus sous le nom de symétries, et ils se répartissent en deux classes fondamentalement différentes - symmorphe et non symmorphe - qui conduisent à de profondes différences dans les propriétés électroniques, comme le transport de courant dans un champ électromagnétique.

Alors que WTe2 est composé de nombreuses couches d'atomes empilées les unes sur les autres, L'équipe de Car a découvert qu'une seule couche d'atomes a une symétrie non symétrique particulière, où l'arrangement atomique est globalement inchangé s'il est d'abord tourné puis translaté d'une fraction de la période du réseau (voir figure).

Ayant établi la symétrie, les chercheurs ont caractérisé mathématiquement tous les états électroniques possibles ayant cette symétrie, et classifié ces états qui peuvent être facilement déformés les uns dans les autres comme topologiquement équivalents, tout comme un beignet peut être déformé en une tasse.

De ce classement, ils ont découvert que WTe2 appartient à une nouvelle classe de métaux qu'ils ont inventée des métaux topologiques non symmorphiques. Ces métaux sont caractérisés par un nombre d'électrons différent de celui des métaux non symmorphiques qui ont été précédemment étudiés.

Dans les métaux topologiques non symmorphes, les électrons porteurs de courant se comportent comme des particules relativistes, c'est-à-dire des particules se déplaçant presque à la vitesse de la lumière. Cette propriété n'est pas aussi sensible aux impuretés et aux défauts que les métaux ordinaires, ce qui en fait des candidats attrayants pour les appareils électroniques.

La classification topologique abstraite a également conduit les chercheurs à suggérer quelques explications pour certaines des propriétés électroniques exceptionnelles du WTe2 en vrac, surtout sa parfaite compensation, ce qui signifie qu'il a un nombre égal de trous et d'électrons. Grâce à des simulations théoriques, les chercheurs ont découvert que cette propriété pouvait être obtenue dans l'empilement cristallin tridimensionnel des monocouches de WTe2, ce qui était un résultat surprenant, dit Muechler.

"Habituellement, dans la recherche théorique, il n'y a pas grand-chose d'inattendu, mais ça vient de sortir, " dit-il. " Cette classification abstraite nous a directement conduit à expliquer cette propriété. Dans ce sens, c'est une façon très élégante de regarder ce composé et maintenant vous pouvez réellement comprendre ou concevoir de nouveaux composés avec des propriétés similaires. »

Des expériences de photoémission récentes ont également montré que les électrons de WTe2 absorbent les photons droitiers différemment des photons gauchers. La théorie formulée par les chercheurs a montré que ces expériences de photoémission sur WTe2 peuvent être comprises à partir des propriétés topologiques de cette nouvelle classe de métaux.

Dans les études futures, les théoriciens veulent tester si ces propriétés topologiques sont également présentes dans des couches atomiquement minces de ces métaux, qui pourrait être exfolié à partir d'un cristal plus gros pour fabriquer des appareils électroniques. "L'étude de ce phénomène a de grandes implications pour l'industrie électronique, mais c'est encore dans ses premières années, ", a déclaré Muechler.