Dans les matériaux topologiques, les électrons peuvent avoir un comportement fondamentalement différent de celui de la matière « classique », et l'ampleur de bon nombre de ces phénomènes « exotiques » est directement proportionnelle à une entité connue sous le nom de nombre de Chern. De nouvelles expériences établissent pour la première fois que le nombre de Chern maximum théoriquement prédit peut être atteint et contrôlé dans un matériau réel.

Lorsque l'Académie royale des sciences de Suède a décerné le prix Nobel de physique 2016 à David Thouless, Duncan Haldane et Michael Kosterlitz, ils ont loué le trio pour avoir "ouvert la porte sur un monde inconnu où la matière peut prendre des états étranges". Loin d'être une bizarrerie, les découvertes des transitions de phases topologiques et des phases topologiques de la matière, à laquelle les trois théoriciens ont contribué de manière si cruciale, est devenu l'un des domaines de recherche les plus actifs en physique de la matière condensée aujourd'hui. Les matériaux topologiques tiennent la promesse, par exemple, conduire à de nouveaux types de composants électroniques et de supraconducteurs, et ils abritent des liens profonds entre les domaines de la physique et des mathématiques.

Alors que de nouveaux phénomènes sont découverts régulièrement, il reste des aspects fondamentaux à régler. L'un d'eux est à quel point les phénomènes topologiques « forts » peuvent être dans un matériau réel. En répondant à cette question, une équipe internationale de chercheurs dirigée par le chercheur postdoctoral du PSI Niels Schröter constitue désormais une référence importante. Écrire dans Science , ils rapportent des expériences dans lesquelles ils ont observé que dans le semi-métal palladium gallium (PdGa) l'un des classificateurs les plus courants des phénomènes topologiques, le numéro de Chern, peut atteindre la valeur maximale autorisée dans n'importe quel cristal métallique. Que cela soit possible dans un matériau réel n'a jamais été démontré auparavant. De plus, l'équipe a établi des moyens de contrôler le signe du nombre de Chern, qui pourrait apporter de nouvelles opportunités d'exploration, et exploiter, phénomènes topologiques.

Développé au maximum

Dans les travaux théoriques, il avait été prédit que dans les semi-métaux topologiques, le nombre de Chern ne peut pas dépasser une magnitude de quatre. En tant que systèmes candidats affichant des phénomènes avec de tels nombres de Chern maximaux, des cristaux chiraux ont été proposés. Ce sont des matériaux dont les structures en treillis ont une maniabilité bien définie, en ce sens qu'ils ne peuvent se transformer en leur image miroir par aucune combinaison de rotations et de translations. Plusieurs structures candidates ont été étudiées. Une observation expérimentale concluante d'un nombre de Chern de plus ou moins quatre, cependant, resté insaisissable. Les efforts précédents ont été entravés par deux facteurs en particulier. D'abord, une condition préalable à la réalisation d'un nombre de Chern maximal est la présence d'un couplage spin-orbite, et au moins dans certains des matériaux étudiés jusqu'à présent, ce couplage est relativement faible, rendant difficile la résolution des partages d'intérêts. Seconde, préparer des surfaces propres et planes de cristaux pertinents a été très difficile, et par conséquent, les signatures spectroscopiques avaient tendance à être effacées.

Schroter et al. ont surmonté ces deux limitations en travaillant avec des cristaux de PdGa. Le matériau présente un fort couplage spin-orbite, et des méthodes bien établies existent pour produire des surfaces immaculées. En outre, à la ligne de lumière Advanced Resonant Spectroscopies (ADRESS) de la Swiss Light Source au PSI, ils disposaient de capacités uniques pour les expériences ARPES à haute résolution et ainsi pour résoudre les modèles spectroscopiques prédits. En combinaison avec d'autres mesures à la Diamond Light Source (Royaume-Uni) et avec des calculs ab initio dédiés, ces données ont révélé des signatures dures et rapides dans la structure électronique de PdGa qui ne laissaient aucun doute sur la réalisation du nombre de Chern maximal.

Une main sur le nombre Chern

L'équipe est allée plus loin, au-delà de l'observation d'un nombre de Chern maximal. Ils ont montré que la nature chirale des cristaux de PdGa offre également la possibilité de contrôler le signe de ce nombre. Pour démontrer un tel contrôle, ils ont cultivé des échantillons qui étaient soit gauchers soit droitiers (voir la figure). Lorsqu'ils ont ensuite examiné les structures électroniques des deux énantiomères, ils ont découvert que la chiralité des cristaux se reflète dans la chiralité de la fonction d'onde électronique. Pris ensemble, cela signifie que dans les semi-métaux chiraux la maniabilité, qui peut être déterminé au cours de la croissance cristalline, peut être utilisé pour contrôler les phénomènes topologiques émergeant du comportement des électrons dans le matériau. Ce type de contrôle ouvre une mine de nouvelles expériences. Par exemple, on peut s'attendre à ce que de nouveaux effets surviennent à l'interface entre différents énantiomères, un avec le numéro de Chern +4 et l'autre avec -4. Et il y a de vraies perspectives d'applications, trop. Les semi-métaux topologiques chiraux peuvent héberger des phénomènes fascinants tels que les photocourants quantifiés. Curieusement, Le PdGa est connu pour ses propriétés catalytiques, invitant à s'interroger sur le rôle des phénomènes topologiques dans de tels processus.

Finalement, les découvertes maintenant obtenues pour PdGa émergent des propriétés de bande électronique qui sont partagées par de nombreux autres composés chiraux, ce qui signifie que le coin du "monde inconnu où la matière peut assumer des états étranges" dans lequel Schröter et ses collègues se sont maintenant aventurés est susceptible d'avoir beaucoup plus à offrir.