Une équipe internationale de chercheurs dirigée par des scientifiques de l'Université de Princeton a découvert qu'un matériau magnétique à température ambiante permet aux électrons de se comporter de manière contre-intuitive, agissant collectivement plutôt qu'individuellement. Leur comportement collectif imite des particules sans masse et des anti-particules qui coexistent de manière inattendue et forment ensemble une structure exotique en forme de boucle.
La clé de ce comportement est la topologie, une branche des mathématiques qui est déjà connue pour jouer un rôle puissant dans la dictée du comportement des électrons dans les cristaux. Les matériaux topologiques peuvent contenir des particules sans masse sous forme de lumière, ou photons. Dans un cristal topologique, les électrons se comportent souvent comme une lumière ralentie encore, contrairement à la lumière, porter une charge électrique.
La topologie a rarement été observée dans les matériaux magnétiques, et la découverte d'un matériau topologique magnétique à température ambiante est un pas en avant qui pourrait ouvrir de nouvelles approches pour exploiter les matériaux topologiques pour de futures applications technologiques.
"Avant ce travail, les preuves des propriétés topologiques des aimants en trois dimensions n'étaient pas concluantes. Ces nouveaux résultats nous apportent des preuves directes et décisives de ce phénomène au niveau microscopique, " dit M. Zahid Hassan, le professeur Eugene Higgins de physique à Princeton, qui a dirigé la recherche. "Ce travail ouvre un nouveau continent pour l'exploration des aimants topologiques."
Hasan et son équipe ont passé plus d'une décennie à étudier des matériaux candidats à la recherche d'un état quantique magnétique topologique.
« La physique des aimants en vrac est comprise depuis de nombreuses décennies. Une question naturelle pour nous est :les propriétés magnétiques et topologiques peuvent-elles ensemble produire quelque chose de nouveau en trois dimensions ? » dit Hassan.
Des milliers de matériaux magnétiques existent, mais la plupart n'avaient pas les propriétés correctes, les chercheurs ont trouvé. Les aimants étaient trop difficiles à synthétiser, le magnétisme n'était pas suffisamment bien compris, la structure magnétique était trop compliquée à modéliser théoriquement, ou aucune signature expérimentale décisive de la topologie n'a pu être observée.
Puis vint un tournant chanceux.
"Après avoir étudié de nombreux matériaux magnétiques, nous avons effectué une mesure sur une classe d'aimants à température ambiante et avons vu de façon inattendue des signatures d'électrons sans masse, " dit Ilya Belopolski, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Hasan et co-premier auteur de l'étude. "Cela nous a mis sur la voie de la découverte de la première phase magnétique topologique tridimensionnelle."
