Des scientifiques découvrent un aimant topologique qui présente des effets quantiques exotiques
Les flèches représentent les spins des électrons pointant vers le haut à partir d'un réseau kagome. La chiralité est représentée par le cercle de feu dans le sens antihoraire, qui représente les électrons/courant se propageant sur le bord de l'aimant. Les deux cônes montrent que le gros de l'aimant contient des fermions de Dirac (dispersion linéaire ou conique des bandes) avec un gap énergétique (gap de Chern), le rendant topologique. Crédit :groupe M. Zahid Hasan, université de Princeton
Une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l'Université de Princeton a découvert une nouvelle classe d'aimants qui présente de nouveaux effets quantiques qui s'étendent à la température ambiante.
Les chercheurs ont découvert une phase topologique quantifiée dans un aimant vierge. Leurs résultats donnent un aperçu d'une théorie vieille de 30 ans sur la façon dont les électrons quantifient spontanément et démontrent une méthode de preuve de principe pour découvrir de nouveaux aimants topologiques. Les aimants quantiques sont des plateformes prometteuses pour le courant sans dissipation, haute capacité de stockage et futures technologies vertes. L'étude a été publiée dans la revue La nature cette semaine.
Les racines de la découverte se trouvent dans le fonctionnement de l'effet Hall quantique - une forme d'effet topologique qui a fait l'objet du prix Nobel de physique en 1985. C'était la première fois qu'une branche des mathématiques théoriques, appelée topologie, commencerait à changer fondamentalement la façon dont nous décrivons et classons la matière qui compose le monde qui nous entoure. Depuis, les phases topologiques ont été intensément étudiées en science et en ingénierie. De nombreuses nouvelles classes de matériaux quantiques avec des structures électroniques topologiques ont été trouvées, y compris les isolants topologiques et les semi-métaux de Weyl. Cependant, tandis que certaines des idées théoriques les plus passionnantes nécessitent du magnétisme, la plupart des matériaux explorés ont été non magnétiques et ne montrent aucune quantification, laissant de nombreuses possibilités alléchantes insatisfaites.
"La découverte d'un matériau topologique magnétique avec un comportement quantifié est un grand pas en avant qui pourrait ouvrir de nouveaux horizons dans l'exploitation de la topologie quantique pour la future physique fondamentale et la recherche sur les dispositifs de nouvelle génération", a déclaré M. Zahid Hasan, le professeur Eugene Higgins de physique à l'Université de Princeton, qui a dirigé l'équipe de recherche.
Alors que les découvertes expérimentales se faisaient rapidement, la physique théorique excellait à développer des idées menant à de nouvelles mesures. Des concepts théoriques importants sur les isolants topologiques 2-D ont été avancés en 1988 par F. Duncan Haldane, le Thomas D. Jones Professor of Mathematical Physics et le Sherman Fairchild University Professor of Physics à Princeton, qui en 2016 a reçu le prix Nobel de physique pour les découvertes théoriques des transitions de phase topologiques et des phases topologiques de la matière. Des développements théoriques ultérieurs ont montré que le magnétisme topologique hébergeant un isolant dans un arrangement atomique spécial connu sous le nom de réseau kagome peut héberger certains des effets quantiques les plus étranges.
Hasan et son équipe sont à la recherche d'un état quantique magnétique topologique qui pourrait également fonctionner à température ambiante depuis leur découverte des premiers exemples d'isolants topologiques tridimensionnels. Récemment, ils ont trouvé une solution matérielle à la conjecture de Haldane dans un aimant en réseau kagome capable de fonctionner à température ambiante, qui présente également la quantification tant désirée. "Le réseau kagome peut être conçu pour posséder des croisements de bandes relativistes et de fortes interactions électron-électron. Les deux sont essentiels pour un nouveau magnétisme. Par conséquent, nous avons réalisé que les aimants kagome sont un système prometteur pour rechercher des phases d'aimants topologiques car ils sont comme les isolants topologiques que nous avons étudiés auparavant, " dit Hassan.
Depuis si longtemps, le matériel direct et la visualisation expérimentale de ce phénomène sont restés insaisissables. L'équipe a découvert que la plupart des aimants kagome étaient trop difficiles à synthétiser, le magnétisme n'était pas suffisamment bien compris, aucune signature expérimentale décisive de la topologie ou de la quantification n'a pu être observée, ou ils ne fonctionnent qu'à des températures très basses.
"Une conception appropriée de la chimie atomique et de la structure magnétique couplée à la théorie des premiers principes est l'étape cruciale pour rendre la prédiction spéculative de Duncan Haldane réaliste dans un environnement à haute température, " dit Hasan. " Il y a des centaines d'aimants kagome, et nous avons besoin à la fois d'intuition, vivre, calculs spécifiques aux matériaux, et des efforts expérimentaux intenses pour finalement trouver le bon matériau pour une exploration en profondeur. Et cela nous a emmenés dans un voyage de dix ans."
