Les scientifiques d'Argonne ont identifié une nouvelle classe de matériaux topologiques fabriqués en insérant des atomes de métaux de transition dans le réseau atomique d'un matériau bidimensionnel bien connu.

Dans les années récentes, les scientifiques sont devenus intrigués par un nouveau type de matériau qui montre une sorte de comportement inhabituel et divisé. Ces structures, appelés matériaux topologiques, peuvent démontrer des propriétés différentes à leur surface que dans leur masse. Ce comportement a attiré l'attention des scientifiques intéressés par les nouveaux états de la matière et des technologues intéressés par les applications électroniques et spintroniques potentielles.

Dans une nouvelle étude du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les scientifiques ont identifié une nouvelle classe de matériaux topologiques fabriqués en insérant des atomes de métaux de transition dans le réseau atomique du diséléniure de niobium (NbS 2 ), un matériau bidimensionnel bien connu. Ils ont découvert que le CoNb 3 S 6 , un matériau antiferromagnétique, présente un effet Hall anormal extrêmement important, signe du caractère topologique des matériaux.

L'effet Hall ordinaire se produit dans tous les conducteurs électriques. L'effet est essentiellement une force qu'un électron subit lorsqu'il se déplace à travers un champ magnétique. "Dans chaque métal, les électrons seront poussés perpendiculairement à leur direction de déplacement et perpendiculairement à un champ magnétique externe appliqué, créer une tension, " dit Nirmal Ghimire, un professeur adjoint à l'Université George Mason et un récent boursier postdoctoral du directeur d'Argonne qui était le premier auteur de l'étude. "Si le matériau lui-même est un ferromagnétique, une contribution supplémentaire se superpose à la tension de Hall ordinaire; c'est ce qu'on appelle l'effet Hall anormal (AHE)."

Dans l'étude, Ghimire et ses collègues ont regardé CoNb 3 S 6 et a trouvé quelque chose d'inattendu :un grand AHE dans des champs magnétiques modestes. "Un AHE peut également être trouvé dans les matériaux où la structure électronique a des caractéristiques spéciales appelées caractéristiques topologiques, " a déclaré Ghimire. " La configuration des atomes dans le réseau crée des symétries dans le matériau qui conduisent à la création de bandes topologiques - des régions d'énergie habitées par les électrons. Ce sont ces bandes, dans certaines configurations, qui peut conduire à un AHE exceptionnellement grand. »

Sur la base de calculs et de mesures, Ghimire et ses collègues suggèrent que CoNb 3 S 6 contient ces bandes topologiques.

"Les caractéristiques topologiques résultent d'une combinaison de la symétrie du matériau, ainsi que la bonne concentration électronique pour mettre ces caractéristiques topologiques au niveau de Fermi, qui est l'état d'énergie électronique disponible le plus élevé à température nulle, " a noté John Mitchell, directeur par intérim de la division Science des matériaux d'Argonne et co-auteur de l'étude.

« Jusqu'à présent, seule une poignée de matériaux ont les points topologiques caractéristiques nécessaires à proximité du niveau de Fermi, " a déclaré Mitchell. " Pour trouver plus, il faut une compréhension à la fois de la physique et de la chimie des matériaux en jeu. "

La découverte pourrait ouvrir la voie à de futures avancées dans une large classe de matériaux, selon Mitchell. « Nous avons maintenant une règle de conception pour fabriquer des matériaux qui démontrent ces propriétés, " dit-il. " CoNb 3 S 6 est un membre d'une grande classe de matériaux bidimensionnels en couches et cela pourrait donc ouvrir la porte à un grand espace de nouvelle matière topologique."