Les matériaux topologiques sont devenus un sujet brûlant dans la recherche sur les matériaux quantiques, car ils ont des applications potentielles pour l'information quantique et la spintronique. En effet, les matériaux topologiques ont des états électroniques étranges dans lesquels la quantité de mouvement d'un électron est liée à son orientation de spin, quelque chose qui peut être exploité de nouvelles façons pour coder et transmettre des informations. Un type de matériau topologique, appelé semi-métal magnétique de Weyl, suscite l'intérêt en raison de sa capacité potentielle à être manipulée avec des champs magnétiques.

Parce que ces matériaux sont si nouveaux, cependant, il a été difficile pour les scientifiques d'identifier et de caractériser les semi-métaux de Weyl. Une récente étude théorique et de modélisation menée par des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) peut non seulement donner aux chercheurs un moyen plus facile de trouver des semi-métaux Weyl, mais aussi un moyen de les manipuler plus facilement pour d'éventuels dispositifs spintroniques.

Les tentatives précédentes pour étudier les semi-métaux de Weyl reposaient sur une technique compliquée nécessitant une source de rayons X ou laser et des échantillons soigneusement préparés. Pour simplifier l'observation des semi-métaux, Les chercheurs d'Argonne ont plutôt proposé d'utiliser la relation entre deux propriétés essentielles - le spin et la charge électroniques - pour révéler la nature des matériaux topologiques et donner aux scientifiques de nouvelles façons de les utiliser.

"Nous voulons savoir s'il y a une signature dans le semi-métal que nous pouvons voir si nous essayons de faire passer un courant à travers lui, quelque chose qui est caractéristique d'être un semi-métal Weyl, " a déclaré le scientifique des matériaux d'Argonne, Olle Heinonen.

Pour générer un courant de charge dans le semi-métal de Weyl, Heinonen a proposé d'abord d'injecter un courant de spin à l'interface entre un métal normal et le semi-métal de Weyl. Alors que le courant de spin impliquait un afflux d'électrons avec des spins pointés dans une direction particulière, il n'y avait pas de charges nettes injectées parce que les électrons de spin opposé étaient tirés dans l'autre sens.

« Vous pouvez penser à cela comme à deux nageurs qui vont dans des directions opposées dans une piscine, l'un faisant le style libre et l'autre le dos crawlé, " il a dit. " Il n'y a pas de direction nette de la nage, mais il y a une quantité nette de freestyle."

En déplaçant les spins préférentiellement du métal normal vers le semi-métal de Weyl, les chercheurs ont découvert que le semi-métal devait trouver des moyens d'accueillir des électrons avec des spins particuliers dans sa structure électronique. "Vous ne pouvez pas simplement coller n'importe quel électron où vous voulez, " a déclaré Heinonen.

Au lieu, les chercheurs ont découvert que les électrons ont tendance à redistribuer leurs spins dans les endroits disponibles et énergétiquement favorables. « Vous pourriez ne pas être en mesure de faire tenir tout votre spin dans un état électronique particulier, mais vous pouvez adapter des quantités fractionnaires de spin dans différents états qui s'ajoutent au même montant, " Heinonen a dit. " Imaginez si vous avez une vague qui frappe un rocher; vous avez toujours la même quantité d'eau en mouvement, juste dans des directions différentes."

Lorsque l'électron "se brise" de cette manière lorsqu'il rencontre le semi-métal de Weyl, les différents états électroniques résultants voyagent à des vitesses différentes, générer un courant de charge. Selon la direction dans laquelle ce courant est mesuré - disons, de haut en bas ou de gauche à droite, les scientifiques ont vu des résultats différents.

"La façon dont l'électron se désagrège est liée de manière très sensible aux relations entre l'énergie, quantité de mouvement et spin dans le semi-métal magnétique de Weyl, " Heinonen a dit. " En conséquence, comment la direction du courant de charge change est directement liée aux propriétés du semi-métal de Weyl, vous permettant de déterminer ses caractéristiques topologiques.

Vu l'anisotropie, ou la différence de courant de charge lorsqu'elle est mesurée dans différentes directions dans le semi-métal de Weyl, donne aux chercheurs deux informations. D'abord, il révèle la nature Weyl de la matière, mais peut-être plus important encore, cela permet aux chercheurs d'ajuster les propriétés du matériau. "La réponse que nous voyons est particulièrement intéressante parce que c'est un Wey lsemimetal, et parce qu'il a cette réponse anisotrope intéressante, nous pouvons probablement exploiter cela dans certains appareils, " a déclaré Heinonen. "Nous sommes un peu en avance sur le nombre de personnes qui fabriquent de nombreux semi-métaux Weyl, mais cela nous donne un moyen peu coûteux de tester et d'expérimenter un type de matériau qui est susceptible de devenir plus populaire. »

Un article basé sur l'étude, "Conversion spin-charge dans les semi-métaux magnétiques de Weyl, " est paru dans le numéro du 1er novembre de Lettres d'examen physique . Ivar Martin d'Argonne, Shulei Zhang, maintenant professeur adjoint de physique à la Case Western Reserve University, et Anton Burkov de l'Université de Waterloo, également collaboré à l'étude.