Une équipe de physiciens américains et coréens a trouvé la première preuve d'un matériau bidimensionnel qui peut devenir un isolant topologique magnétique même lorsqu'il n'est pas placé dans un champ magnétique.

"De nombreuses propriétés quantiques et relativistes différentes des électrons en mouvement sont connues dans le graphène, et les gens ont été intéressés, « Peut-on les voir dans des matériaux magnétiques qui ont des structures similaires ? » a déclaré Pengcheng Dai de l'Université Rice, co-auteur d'une étude sur le matériel publiée dans la revue American Physical Society PRX . Dai, dont l'équipe comprenait des scientifiques de Rice, Université de Corée, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) et le National Institute of Standards and Technology, dit le triiodure de chrome (CrI 3 ) utilisé dans la nouvelle étude "est comme le nid d'abeilles du graphène, mais c'est un nid d'abeille magnétique."

Dans des expériences à la source de neutrons de spallation de l'ORNL, CrI 3 les échantillons ont été bombardés de neutrons. Une analyse spectroscopique réalisée lors des tests a révélé la présence d'excitations de spin collectives appelées magnons. Tournoyer, une caractéristique intrinsèque de tous les objets quantiques, est un acteur central du magnétisme, et les magnons représentent un type particulier de comportement collectif des électrons sur les atomes de chrome.

"La structure de ce magnon, comment l'onde magnétique se déplace dans ce matériau, est assez similaire à la façon dont les ondes électroniques se déplacent dans le graphène, " dit Dai, professeur de physique et d'astronomie et membre du Rice's Center for Quantum Materials (RCQM).

Le graphène et le CrI3 contiennent tous deux des points Dirac, qui n'existent que dans les structures de bandes électroniques de certains matériaux bidimensionnels. Nommé pour Paul Dirac, qui a aidé à réconcilier la mécanique quantique avec la relativité générale dans les années 1920, Les points de Dirac sont des caractéristiques où les électrons se déplacent à des vitesses relativistes et se comportent comme s'ils avaient une masse nulle. Les travaux de Dirac ont joué un rôle essentiel dans la compréhension par les physiciens du spin des électrons et du comportement des électrons dans les isolants topologiques 2D, matériaux bizarres qui ont attiré le prix Nobel de physique 2016.

Les électrons ne peuvent pas traverser les isolants topologiques, mais peuvent contourner leurs bords unidimensionnels sur les autoroutes "en mode bord". Les matériaux tirent leur nom d'une branche des mathématiques connue sous le nom de topologie, que le prix Nobel 2016 Duncan Haldane a utilisé pour expliquer la conduction en mode bord dans un article fondateur de 1988 qui présentait un modèle en nid d'abeille 2D avec une structure remarquablement similaire au graphène et au CrI 3 .

"Le point de Dirac est l'endroit où les électrons se déplacent comme les photons, avec une masse effective nulle, et s'ils se déplacent le long des bords topologiques, il n'y aura pas de résistance, " a déclaré le co-auteur de l'étude Jae-Ho Chung, professeur invité à Rice et professeur de physique à l'Université de Corée à Séoul, Corée du Sud. "C'est le point important pour les applications spintroniques sans dissipation."

La spintronique est un mouvement croissant au sein de la communauté de l'électronique à semi-conducteurs pour créer des technologies basées sur le spin pour le calcul, communiquer et stocker des informations et plus encore. Les isolants topologiques avec des états de bord magnon auraient un avantage sur ceux avec des états de bord électroniques car les versions magnétiques ne produiraient pas de chaleur, dit Chung.

À proprement parler, les magnons ne sont pas des particules mais des quasiparticules, excitations collectives qui découlent du comportement d'une foule d'autres particules. Une analogie serait "la vague" que les foules exécutent parfois dans les stades sportifs. En regardant un seul ventilateur, on verrait simplement une personne périodiquement debout, levant les bras et se rasseyant. Ce n'est qu'en regardant toute la foule que l'on peut voir « la vague ».

"Si vous regardez un seul spin d'électron, il semblera qu'il vibre au hasard, " dit Chung. " Mais selon les principes de la physique du solide, ce vacillement apparemment aléatoire est composé d'ondes exactes, vagues bien définies. Et peu importe le nombre de vagues que vous avez, seule une onde particulière se comportera comme un photon. C'est ce qui se passe autour de la pointe dite de Dirac. Tout le reste n'est qu'une simple onde de rotation. Ce n'est qu'autour de ce point de Dirac que le magnon se comportera comme un photon."

Dai a déclaré que les preuves d'excitations de spin topologiques dans le CrI 3 est particulièrement intrigante car c'est la première fois qu'une telle preuve est vue sans l'application d'un champ magnétique externe.

"Il y avait un article dans le passé où quelque chose de similaire était observé en appliquant un champ magnétique, mais la nôtre était la première observation en champ zéro, " a-t-il dit. " Nous pensons que c'est parce que le matériau a un champ magnétique interne qui permet que cela se produise. "

Dai et Chung ont déclaré que le champ magnétique interne provient des électrons se déplaçant à des vitesses presque relativistes à proximité des protons dans les noyaux des atomes de chrome et d'iode.

"Ces électrons se déplacent eux-mêmes, mais en raison de la relativité, dans leur référentiel, ils n'ont pas l'impression de bouger, " Dai dit. " Ils sont juste là, et leur environnement évolue très rapidement. »

Chung a dit, "Ce mouvement ressent en fait les charges positives environnantes comme un courant se déplaçant autour de lui, et cela, couplé au spin de l'électron, crée le champ magnétique."

Dai a déclaré que les tests à l'ORNL impliquaient de refroidir le CrI 3 échantillons à moins de 60 Kelvin et les bombarder de neutrons, qui ont aussi des moments magnétiques. Les neutrons qui passaient assez près d'un électron dans l'échantillon pouvaient alors exciter des excitations d'ondes de spin qui pouvaient être lues avec un spectromètre.

"Nous avons mesuré comment l'onde de spin se propage, " dit-il. " Essentiellement, quand tu tords ce tour, à quel point les autres spins répondent-ils ? »

Pour s'assurer que les neutrons interagissent en nombre suffisant avec les échantillons, L'étudiant diplômé de Rice et auteur principal de l'étude, Lebing Chen, a passé trois mois à perfectionner une recette pour produire des feuilles plates de CrI 3 dans un four à haute température. Le temps de cuisson pour chaque échantillon était d'environ 10 jours, et le contrôle des variations de température à l'intérieur du four s'est avéré critique. Une fois la recette perfectionnée, Chen a ensuite dû empiler minutieusement, alignez et collez ensemble 40 couches du matériau. Parce que les hexagones de chaque couche devaient être alignés avec précision, et l'alignement n'a pu être confirmé qu'avec la diffraction des rayons X de Laue, chaque petit ajustement peut prendre une heure ou plus.

"Nous n'avons pas prouvé que le transport topologique est là, " Dai dit. " En vertu d'avoir les spectres que nous avons, on peut maintenant dire qu'il est possible d'avoir ce mode bord, mais nous n'avons pas montré qu'il existe un mode de bord."

Les chercheurs ont déclaré que des expériences de transport de magnon seront nécessaires pour prouver que le mode de bord existe, et ils espèrent que leurs découvertes encourageront d'autres groupes à tenter ces expériences.