Des chercheurs du PSI ont étudié un nouveau matériau cristallin qui présente des propriétés électroniques jamais vues auparavant. C'est un cristal d'atomes d'aluminium et de platine disposés d'une manière spéciale. Dans les cellules unitaires se répétant symétriquement de ce cristal, les atomes individuels étaient décalés les uns des autres de telle manière qu'ils – comme connectés dans l'œil de l'esprit – suivaient la forme d'un escalier en colimaçon. Cela a abouti à de nouvelles propriétés de comportement électronique pour le cristal dans son ensemble, comprenant des fermions dits de Rarita-Schwinger à l'intérieur et des arcs de Fermi topologiques très longs et quadruples à sa surface. Les chercheurs ont maintenant publié leurs résultats dans la revue Physique de la nature .

Ils rapportent un nouveau type de quasiparticule. Les quasi-particules sont des états de la matière qui se comportent d'une certaine manière comme de véritables particules élémentaires. Deux physiciens, William Rarita et Julian Schwinger, a prédit pour la première fois ce type de quasiparticule en 1941, connu sous le nom de fermions de Rarita-Schwinger. Ceux-ci ont maintenant été détectés expérimentalement pour la première fois, grâce en partie aux mesures de la source de lumière synchrotron suisse SLS au PSI.

"Pour autant que nous sachions, nous sommes, simultanément avec trois autres groupes de recherche, parmi les premiers à voir les fermions de Rarita-Schwinger, " dit Niels Schröter, chercheur au PSI et premier auteur de la nouvelle étude.

La recherche d'états électroniques exotiques

Les chercheurs ont découvert les quasiparticules en étudiant un nouveau matériau, un cristal spécial d'aluminium-platine. « Vu à l'œil nu, notre cristal était simplement un petit cube d'environ un demi-centimètre de taille et d'argent noirâtre, " dit Schröter. "Nos collègues de l'Institut Max Planck pour la physique chimique des solides à Dresde l'ont produit à l'aide d'un procédé spécial. Outre les chercheurs de Dresde, scientifiques en Grande-Bretagne, L'Espagne et les États-Unis ont également participé à la présente étude. L'objectif des chercheurs de Dresde était de réaliser un arrangement sur mesure des atomes dans le réseau cristallin.

Dans un cristal, chaque atome occupe un espace exact. Un groupe souvent en forme de cube d'atomes adjacents forme un élément de base, la cellule dite unitaire. Cela se répète dans toutes les directions et forme ainsi le cristal avec ses symétries typiques, qui sont également visibles de l'extérieur. Cependant, dans le cristal d'aluminium-platine maintenant étudié, les atomes individuels dans les cellules élémentaires adjacentes étaient légèrement décalés les uns des autres de sorte qu'ils suivaient la forme d'un escalier en colimaçon, une ligne hélicoïdale. « Cela a donc fonctionné exactement comme prévu :nous avions un cristal chiral, " explique Schröter.

Des cristaux comme deux mains

Les matériaux chiraux peuvent être comparés à l'image miroir des mains gauche et droite. Dans certains cristaux chiraux, l'escalier en spirale imaginaire des atomes tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, et dans d'autres, il tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. « Nous, les chercheurs, trouvons les matériaux chiraux très excitants, parce que les modèles mathématiques font de nombreuses prédictions que des phénomènes physiques exotiques peuvent s'y trouver, " explique Vladimir Strocov, chercheur au PSI et co-auteur de la présente étude.

Et ce fut le cas avec le cristal d'aluminium-platine que les chercheurs ont étudié. En utilisant la spectroscopie de rayons X et de photoélectrons SLS, ils ont rendu visibles les propriétés électroniques à l'intérieur du cristal. En outre, des mesures complémentaires du même cristal à la Diamond Light Source dans l'Oxfordshire, Angleterre, leur a permis de voir les structures électroniques à sa surface.

Ces investigations ont montré que le cristal spécial n'était pas seulement un matériau chiral, mais aussi topologique. "Nous appelons ce type de matériau un semi-métal topologique chiral, " dit Strocov. " Grâce aux capacités spectroscopiques exceptionnelles de la ligne de lumière ADRESS ici à SLS, nous sommes aujourd'hui parmi les premiers à avoir prouvé expérimentalement l'existence d'un tel matériau."

Le monde des beignets

Les matériaux topologiques sont devenus publics avec le prix Nobel de physique en 2016, lorsque trois chercheurs ont été honorés pour leurs recherches sur les phases topologiques et les transitions de phase.

La topologie est un domaine des mathématiques qui traite des structures et des formes qui se ressemblent. Par exemple, une boule de pâte à modeler peut être transformée en matrice, une assiette, ou un bol par simple pression et traction - ces formes sont donc topologiquement identiques. Cependant, pour obtenir un beignet ou un huit, vous devez faire des trous dans l'argile - un pour le beignet, deux trous pour le 8.

Cette classification selon le nombre de trous et d'autres propriétés topologiques a déjà été appliquée à d'autres propriétés physiques des matériaux par les scientifiques qui ont reçu le prix Nobel en 2016. Ainsi, par exemple, la théorie des fluides quantiques topologiques a été développée.

"Le fait que notre cristal soit un matériau topologique signifie qu'au sens figuré, le nombre de trous à l'intérieur du cristal est différent du nombre de trous à l'extérieur. Par conséquent, à la transition entre le cristal et l'air, donc à la surface du cristal, le nombre de trous n'est pas bien défini. Ce qui est clair, cependant, c'est que c'est là que ça change, " explique Schröter. " On dit qu'une transition de phase topologique a lieu à la surface du cristal. Par conséquent, de nouveaux états électroniques y émergent :des arcs de Fermi topologiques."

Quasiparticules à l'intérieur, Arcs de Fermi à la surface

C'est la combinaison de ces deux phénomènes, la chiralité et la topologie du cristal, cela conduit à des propriétés électroniques inhabituelles qui diffèrent également à l'intérieur du matériau et à sa surface.

Alors que les chercheurs ont pu détecter les fermions de Rarita-Schwinger à l'intérieur du matériau, des mesures complémentaires à la source de rayonnement du synchrotron anglais Diamond Light Source ont révélé d'autres états électroniques exotiques à la surface du matériau :quatre arcs dits de Fermi, qui sont également significativement plus longs que tous les arcs de Fermi observés précédemment.

"Il est assez clair que les fermions de Rarita-Schwinger à l'intérieur et ces arcs de Fermi spéciaux à la surface sont connectés. Les deux résultent du fait qu'il s'agit d'un matériau topologique chiral, " déclare Schröter. "Nous sommes très heureux d'avoir été parmi les premiers à trouver un tel matériau. Il ne s'agit pas seulement de ces deux propriétés électroniques :la découverte de matériaux chiraux topologiques ouvrira tout un terrain de jeu de nouveaux phénomènes exotiques."

Les chercheurs s'intéressent aux nouveaux matériaux et au comportement exotique des électrons car certains d'entre eux pourraient convenir à des applications dans l'électronique du futur. L'objectif est, par exemple avec les ordinateurs quantiques, d'atteindre à l'avenir un stockage et une transmission de données toujours plus denses et plus rapides et de réduire la consommation d'énergie des composants électroniques.