Le concept de chiralité est bien établi en science :lorsqu'un objet ne peut pas être superposé à son image miroir, l'objet et son image miroir sont appelés chiraux. Dans l'industrie pharmaceutique, par exemple, plus de 50 % des molécules pharmaceutiquement actives utilisées aujourd'hui sont des molécules chirales. Alors que l'un des "énantiomères" sauve des vies, son homologue avec la main opposée peut être toxique. Un autre concept qui a trouvé un large intérêt dans la science des matériaux contemporaine est la topologie, autant de matériaux dits topologiques présentent des propriétés exotiques. Par exemple, les matériaux topologiques peuvent avoir des états de bord protégés où les électrons circulent librement sans résistance, comme si un chemin supraconducteur d'électrons se créait au bord d'un matériau. De telles propriétés non conventionnelles sont une manifestation de la nature quantique de la matière. Les matériaux topologiques peuvent être classés par un nombre quantique spécial, appelé la charge topologique ou le nombre de Chern.

Les matériaux topologiques chiraux ont des propriétés particulièrement uniques qui pourraient être utiles dans de futurs dispositifs pour ordinateurs quantiques, ce qui pourrait accélérer considérablement les calculs. Un exemple d'une telle propriété est le grand courant photogalvanique quantifié recherché depuis longtemps. Ici, un courant continu fixe est généré dans un matériau topologique chiral une fois exposé à une lumière polarisée circulairement, qui est indépendant de la force du rayonnement incident et sa direction peut être manipulée par la polarisation de la lumière incidente. Ce phénomène repose sur le fait que le matériau possède une charge topologique élevée de 4, qui est la valeur maximale possible dans n'importe quel matériau.

Chimistes et physiciens du solide du Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids (MPI CPfS), l'Institut Leibniz de recherche sur l'état solide et les matériaux (IFW), le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), le Helmholtz-Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie (HZB) et l'Université des sciences et technologies de Chine, Hefei a réussi à réaliser cet état électronique particulier pour la première fois dans le nouveau composé topologique chiral PtGa. Leurs résultats ont été publiés dans Communication Nature .

Dans l'étude, les chercheurs ont utilisé un couplage spin-orbite exceptionnellement fort dans le PtGa comme paramètre clé pour résoudre et compter clairement le nombre d'états de surface topologiques spéciaux, appelé les arcs de Fermi, qui déterminent la charge topologique. "Le PtGa est le meilleur composé existant dans la nature avec une structure chirale B20 pour observer les arcs de Fermi à séparation de spin et réaliser le nombre de Chern maximal 4 car il possède le couplage spin-orbite le plus fort." dit Kaustuv Manna, l'un des auteurs de l'étude qui travaille en tant que scientifique à l'Institut Max Planck de physique chimique des solides de Dresde.

Les calculs théoriques effectués par Yan Sun et ses collègues ont suggéré que le composé PtGa est un candidat très prometteur pour observer la charge topologique élevée qui a été vérifiée expérimentalement par Mengyu Yao et ses collègues qui ont effectué des études détaillées de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES). ARPES est un outil puissant pour étudier le comportement des électrons dans les solides.

"Les travaux de Yao et al. révèlent que le PtGa est un semi-métal topologique avec une charge chirale maximale et possède le couplage spin-orbital le plus fort parmi tous les cristaux chiraux identifiés à ce jour. Cette observation est significative et a de grandes implications pour ses propriétés de transport, comme le magnétotransport." explique Ming Shi, professeur et chercheur principal à l'Institut Paul Scherrer, La Suisse.

L'étude est un exemple d'excellente collaboration entre des groupes de recherche couvrant différents domaines d'expertise. Au sein du pôle d'excellence ct.qmat, les scientifiques coopèrent pour étudier des états fondamentalement nouveaux de la matière. « Nous nous concentrons sur de nouveaux matériaux dont les propriétés et les fonctions observées sont déterminées par les interactions de la mécanique quantique au niveau atomique, avec des semi-métaux tels que PtGa étant l'un des exemples les plus passionnants, " dit Jochen Wosnitza, Directeur du Laboratoire des champs magnétiques élevés (HLD) de Dresde au HZDR, faisant référence à l'un des principaux thèmes de recherche du pôle. Les instituts participant au cluster et collaborant à la publication actuelle comprennent les partenaires du concept DRESDE MPI CPfS, IFW, et HZDR.