Une équipe de chercheurs de l'Université du Tohoku, J-PARC, et l'Institut de technologie de Tokyo a mené une étude approfondie des quasiparticules magnétiques appelées « triplons ». L'équipe a mené l'étude avec un aimant quantique de faible dimension, Ba 2 CuSi 2 O 6 Cl 2 , utilisant la diffusion inélastique des neutrons par AMATERAS au J-PARC. Leurs découvertes ont conduit à la découverte d'un nouvel "état de bord triplon topologiquement protégé" dans le composé susmentionné.

La découverte conceptuelle d'un isolant topologique suscite l'attention d'un point de vue fondamental et technologique. L'étude a montré que l'on peut s'attendre à un flux d'électrons non dissipatif, autrement connu comme un "état de bord, " d'apparaître à la surface des isolants topologiques en raison de la différence de caractéristiques topologiques entre l'intérieur et l'extérieur de l'isolant topologique.

D'énormes efforts ont été déployés pour réaliser l'état de bord topologique dans de vrais matériaux électroniques bidimensionnels et tridimensionnels, car ce flux non dissipatif a le potentiel d'être utilisé pour la transmission et le traitement d'informations écoénergétiques à l'avenir.

Le concept d'état de bord ne s'applique pas seulement aux électrons, mais aux quasiparticules, qui transportent le courant de spin dans les matériaux, émergeant des fluctuations de spin des électrons telles que les magnons et les triplons. Cependant, à ce jour, seuls quelques exemples ont démontré des quasiparticules bosoniques avec des caractères topologiques.

Utilisation de la diffusion inélastique des neutrons par AMATERAS au J-PARC, l'équipe a pu déterminer avec précision les relations de dispersion des triplons dans l'aimant quantique Ba 2 CuSi 2 O 6 Cl 2 . Les relations de dispersion observées fixent les paramètres dans le modèle hamiltonien, qui en effet, montrent que le composé est une nouvelle réalisation du modèle Su-Schriffer-Heeger (SSH), le modèle le plus fondamental pour déterminer les isolants topologiques. Le modèle SSH est réputé pour être équivalent à un seul spin sous un champ magnétique fictif. Les relations de dispersion, ainsi que le champ magnétique fictif, sont affichés dans l'image du titre.

Lorsque la quasiparticule se déplace de gauche à droite sur la figure, un champ magnétique fictif fait une seule rotation. Simultanément, les phases de quasi-particules tournent à mi-chemin, conduisant à une topologie non triviale. Cette topologie non triviale des triplons stipule que des états de bord existent au milieu de la bande interdite de Ba 2 CuSi 2 O 6 Cl 2 .L'observation des triplons topologiques devrait accélérer la détection des propriétés magnétiques et thermodynamiques des états de bord, et peut conduire à la poursuite du développement de matériaux de transmission et de traitement de l'information économes en énergie.