La recherche fondamentale en physique de la matière condensée a permis d'énormes progrès dans les capacités électroniques modernes. Transistors, fibre optique, LED, supports de stockage magnétiques, écrans plasma, semi-conducteurs, supraconducteurs :la liste des technologies nées de la recherche fondamentale en physique de la matière condensée est stupéfiante. Les scientifiques travaillant dans ce domaine continuent d'explorer et de découvrir de nouveaux phénomènes surprenants qui sont prometteurs pour les avancées technologiques de demain.

Une piste de recherche importante dans ce domaine implique la topologie - un cadre mathématique pour décrire les états de surface qui restent stables même lorsque le matériau est déformé par l'étirement ou la torsion. La stabilité inhérente des états de surface topologiques a des implications pour une gamme d'applications en électronique et en spintronique.

Maintenant, une équipe internationale de scientifiques a découvert une nouvelle forme exotique d'état topologique dans une grande classe de cristaux semi-métalliques 3-D appelés semi-métaux de Dirac. Les chercheurs ont développé une machinerie mathématique étendue pour combler le fossé entre les modèles théoriques avec des formes de topologie "d'ordre supérieur" (topologie qui ne se manifeste qu'à la frontière d'une frontière) et le comportement physique des électrons dans les matériaux réels.

L'équipe comprend des scientifiques de l'Université de Princeton, dont le chercheur postdoctoral Dr Benjamin Wieder, Professeur de chimie Leslie Schoop, et le professeur de physique Andrei Bernevig; à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, professeur de physique Barry Bradlyn; à l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences à Pékin, professeur de physique Zhijun Wang; à l'Université d'État de New York à Stony Brook, Professeur de physique Jennifer Cano (Cano est également affilié au Flatiron Institute de la Fondation Simons); et à l'Université des sciences et technologies de Hong Kong, Professeur de physique Xi Dai. Les résultats de l'équipe ont été publiés dans la revue Communication Nature le 31 janvier 2020.

Durant la dernière décennie, Les fermions de Dirac et de Weyl ont été prédits et confirmés expérimentalement dans un certain nombre de matériaux à l'état solide, notamment dans l'arséniure de tantale cristallin (TaAs), le premier semi-métal topologique de fermion de Weyl découvert. Plusieurs chercheurs ont observé que le TaAs présente des états de surface topologiques en 2D appelés « arcs de Fermi ». Mais des phénomènes similaires observés dans les semi-métaux de fermions de Dirac ont échappé à la compréhension, jusqu'à maintenant.

Qu'est-ce qu'un arc de Fermi ? Dans le cadre des semi-métaux, c'est un état de surface se comportant comme la moitié d'un métal bidimensionnel ; l'autre moitié se trouve sur une surface différente.

Bradlyn note, "Ce n'est pas quelque chose qui est possible dans un système purement 2-D, et ne peut se produire qu'en fonction de la nature topologique d'un cristal. Dans ce travail, nous avons constaté que les arcs de Fermi sont confinés aux charnières 1D dans les semi-métaux de Dirac. Dai, Bernevig, et ses collègues ont démontré expérimentalement que les surfaces 2-D des semi-métaux de Weyl doivent héberger des arcs de Fermi, quels que soient les détails de la surface, comme conséquence topologique des points de Weyl (fermions) présents profondément dans la masse du cristal. Cela a d'abord été théoriquement prédit par Vishwanath, et al.

"Les semi-métaux de Weyl ont des couches comme des oignons, " note Dai. " Il est remarquable que vous puissiez continuer à peler la surface des TaAs, mais les arcs sont toujours là."

Les chercheurs ont également observé des états de surface de type arc dans les semi-métaux de Dirac, mais les tentatives pour développer une relation mathématique similaire entre de tels états de surface et les fermions de Dirac dans la masse du matériau ont été infructueuses :il était clair que les états de surface de Dirac proviennent d'un autre, mécanisme indépendant, et il a été conclu que les états de surface de Dirac n'étaient pas topologiquement protégés.

Dans l'étude actuelle, les chercheurs ont été surpris de rencontrer des fermions de Dirac qui semblaient présenter des états de surface topologiquement protégés, contredire cette conclusion. Travaillant sur des modèles de semi-métaux de Dirac dérivés d'isolateurs topologiques quadripolaires - des systèmes topologiques d'ordre supérieur récemment découverts par Bernevig en collaboration avec le professeur de physique de l'Illinois Taylor Hughes - ils ont découvert que cette nouvelle classe de matériaux présente des propriétés robustes, conduire des états électroniques en 1D, ou deux dimensions de moins que les points Dirac 3-D en vrac.

Initialement déconcerté par le mécanisme par lequel ces états « charnières » sont apparus, les chercheurs ont travaillé à développer une vaste, modèle exactement résoluble pour les états liés des quadripôles topologiques et des semi-métaux de Dirac. Les chercheurs ont découvert que, en semi-métaux de Dirac, Les arcs de Fermi sont générés par un mécanisme différent de celui des arcs des semi-métaux de Weyl.

"En plus de régler le problème vieux de plusieurs décennies de savoir si les fermions de Dirac de la matière condensée ont des états de surface topologiques, " Remarques Wieder, "nous avons démontré que les semi-métaux de Dirac représentent l'un des premiers matériaux à l'état solide hébergeant des signatures de quadripôles topologiques."

Bradlyn ajoute, "Contrairement aux semi-métaux de Weyl, dont les états de surface sont cousins ​​des surfaces des isolants topologiques, nous avons montré que les semi-métaux de Dirac peuvent héberger des états de surface qui sont cousins ​​des états de coin des isolants topologiques d'ordre supérieur.

Bradlyn décrit la méthodologie de l'équipe :« Nous avons adopté une approche à trois volets pour régler les problèmes. nous avons construit des modèles de jouets pour des systèmes dont nous nous attendions à ce qu'ils aient ces propriétés, inspiré de travaux antérieurs sur les systèmes topologiques d'ordre supérieur en 2D, et l'utilisation de la théorie des groupes pour appliquer des contraintes en trois dimensions. Cela a été fait principalement par le Dr Wieder, le professeur Cano, et moi-même.

"Seconde, Le Dr Wieder et moi avons effectué une analyse théorique plus abstraite des systèmes en deux dimensions, déduire les conditions pour lesquelles ils sont tenus de présenter des états charnières, même en dehors des modèles de jouets."

"Troisième, nous avons effectué une analyse des matériaux connus, combinant l'intuition de la chimie du professeur Leslie Schoop, nos contraintes de symétrie, et des calculs ab initio du professeur Zhijun Wang pour montrer que nos états d'arc de charnière devraient être visibles dans des matériaux réels."

Quand la poussière est tombée, l'équipe a découvert que presque tous les semi-métaux de Dirac de matière condensée devraient en fait présenter des états de charnière.

« Nos travaux fournissent une signature physiquement observable de la nature topologique des fermions de Dirac, qui était auparavant ambigu, " note Cano.

Bradlyn ajoute, "Il est clair que de nombreux semi-métaux de Dirac précédemment étudiés ont en fait des états limites topologiques, si on regarde au bon endroit."

Grâce aux calculs des premiers principes, les chercheurs ont théoriquement démontré l'existence d'états charnières méconnus sur les bords des semi-métaux de Dirac connus, y compris le matériel prototype, arséniure de cadmium (Cd 3 Comme 2 ).

Commentaires de Bernevig, "Avec une équipe formidable alliant des compétences issues de la physique théorique, calculs des premiers principes, et la chimie, nous avons pu démontrer le lien entre la topologie d'ordre supérieur en deux dimensions et les semi-métaux de Dirac en trois dimensions, pour la première fois."

Les découvertes de l'équipe ont des implications pour le développement de nouvelles technologies, y compris en spintronique, parce que les états charnières peuvent être convertis en états de bord dont la direction de propagation est liée à leur spin, un peu comme les états de bord d'un isolant topologique 2-D. En outre, des nanotiges de semi-métaux topologiques d'ordre supérieur pourraient réaliser une supraconductivité topologique sur leurs surfaces lorsqu'elles sont proches de supraconducteurs conventionnels, réalisant potentiellement plusieurs fermions de Majorana, qui ont été proposées comme ingrédients pour réaliser un calcul quantique tolérant aux fautes.