Une méthode pour observer une nouvelle classe de matériaux topologiques, appelés semi-métaux de Weyl, a été développé par des chercheurs de Penn State, MIT, Université du Tohoku, le Japon et l'Institut indonésien des sciences. Les propriétés électroniques inhabituelles du matériau pourraient être utiles dans l'électronique future et en physique quantique.

"Les semi-métaux de Weyl sont intéressants car leur transport d'électrons montre un comportement inhabituel, " dit Shengxi Huang, professeur assistant en génie électrique, État de Penn. "Par exemple, ils peuvent montrer une magnétorésistance négative, ce qui signifie que lorsque vous appliquez un champ magnétique, la résistance baisse. Avec de nombreux matériaux conventionnels, ça augmente."

Dans les semi-métaux de Weyl, la structure de bande électronique est différente de la normale. Les électrons ont une chiralité, ce qui signifie « la maniabilité ». La chiralité est liée au spin et à la direction de déplacement des électrons. Les électrons de chiralité gauche se déplacent dans le sens inverse de son spin, tandis que les électrons de chiralité droite se déplacent dans la même direction de son spin.

"Normalement, un matériau aurait une sorte de conservation, par exemple, conservation de la neutralité de charge - ce qui signifie que si vous aviez un certain nombre de charges négatives, vous auriez le même nombre de charges positives, " selon Kunyan Zhang, Étudiant diplômé de Huang et auteur principal d'un article dans la revue Examen physique B . "De la même manière, vous auriez aussi normalement le même nombre d'électrons droitiers que gauchers. Mais ce n'est pas le cas dans ce matériau et cela semble stimuler de nouvelles propriétés de transport d'électrons."

L'équipe a décidé d'utiliser la lumière pour étudier le comportement particulier des électrons, car elle est simple à utiliser et plus facile que de construire des appareils sophistiqués. La lumière interagit avec les électrons et aussi avec le réseau, faire vibrer les atomes, créer des phonons. Les phonons et les électrons interagissent et les signaux Raman - la différence entre le laser et la lumière diffusée - peuvent montrer le comportement inhabituel des électrons.

Le principal résultat des travaux des chercheurs est de montrer que la symétrie du matériau est brisée. En principe, ce matériau cristallin doit avoir une symétrie quadruple, ce qui signifie que lorsque le cristal est tourné de 90 degrés, la propriété est exactement la même. Cependant, dans cette étude, si le semi-métal Weyl est tourné de 90 degrés, il y a un écart par rapport à la symétrie.

En outre, ce matériau devrait montrer trois pics dans le spectre Raman, mais dans une excitation de lumière rouge de 633 nanomètres, il manque un pic. C'est particulier, selon les chercheurs. L'explication réside dans la structure de bande du semi-métal de Weyl. Lorsque les électrons interagissent avec la lumière, ils absorbent suffisamment d'énergie pour passer à un état supérieur. Dans les semi-métaux de Weyl, il existe de nombreux états supérieurs très proches les uns des autres. L'interaction entre les électrons sautant sur deux bandes adjacentes peut rompre la symétrie.

Dans ce type de matériel, les électrons peuvent circuler sans rétrodiffusion dans certaines conditions, ce qui en fait une bonne plate-forme pour l'électronique future. Il y a aussi un lien avec l'informatique quantique, car un matériau qui ne se disperse pas a le potentiel d'être utilisé dans les qubits quantiques.

"Nous fournissons à la communauté une méthode simple pour comprendre le comportement électronique de ce matériau, " a conclu Huang. " Et cette méthode peut être généralisée. "

Ensuite, l'équipe tentera d'étudier les interactions phonons/électrons à température réduite, moins de 10 Kelvin, où le comportement devrait être assez différent.