La structure électronique des cristaux non magnétiques peut être classée par des théories complètes de la topologie des bandes, rappelant un "tableau périodique topologique". Cependant, une telle classification pour les matériaux magnétiques a jusqu'à présent été insaisissable, et donc très peu de matériaux topologiques magnétiques ont été découverts à ce jour. Dans une nouvelle étude publiée dans la revue La nature , une équipe internationale de chercheurs a réalisé la première recherche à haut débit de matériaux topologiques magnétiques, trouver plus de 100 nouveaux isolants topologiques magnétiques et semi-métaux.

Le tableau périodique classe les éléments selon leurs propriétés chimiques, comme le nombre d'électrons ou l'électronégativité. Cette classification a conduit à la prédiction - et à la découverte ultérieure - de nouveaux éléments. De manière analogue, les structures électroniques des solides cristallins non magnétiques - des ensembles d'éléments placés avec des espacements réguliers - ont récemment été classées via un "tableau périodique topologique" basé sur les théories complètes de la chimie quantique topologique et des indicateurs basés sur la symétrie. Sur la base de la topologie de leurs fonctions d'onde électroniques, des dizaines de milliers de matériaux topologiques non magnétiques ont été identifiés, conduisant à la découverte de milliers de nouveaux isolants topologiques.

Contrairement à leurs homologues non magnétiques, les composés magnétiques ne peuvent actuellement pas être classés par des méthodes topologiques automatisées. Au lieu, des recherches sur les matériaux topologiques magnétiques ont été effectuées ad hoc, et a été motivé par leurs applications potentielles en tant que convertisseurs thermoélectriques efficaces, composants économes en énergie dans les dispositifs microélectroniques qui pourraient être au cœur des ordinateurs quantiques, ou des supports de stockage magnétique améliorés. Cependant, même si les premières études théoriques des matériaux topologiques et de leurs propriétés au début des années 1980 ont été conçues dans des systèmes magnétiques - efforts récompensés par le prix Nobel de physique en 2016, les 40 dernières années d'avancées dans la découverte de matériaux topologiques se sont principalement produites dans les domaines des isolants topologiques non magnétiques et des semi-métaux.

L'absence relative de matériaux topologiques magnétiques candidats peut être attribuée aux symétries compliquées des cristaux magnétiques, et aux difficultés théoriques et expérimentales impliquées dans la modélisation et la mesure des aimants quantiques. D'abord, tandis que des centaines de milliers de composés connus peuvent être recherchés par leur structure cristalline dans des bases de données établies, il n'y a que des centaines de structures magnétiques mesurées expérimentalement disponibles dans les plus grandes bases de données de matériaux magnétiques. Seconde, alors que les structures non magnétiques sont classées en seulement 230 groupes spatiaux, les matériaux magnétiques sont classés par le 1, 421 groupes spatiaux magnétiques. "En plus de cela, dans tous les systèmes magnétiques, il faut aussi s'inquiéter des effets des interactions électron-électron, qui sont notoirement difficiles à modéliser. Cela rend la tâche de prédire les matériaux topologiques magnétiques beaucoup plus compliquée, même si les chiffres étaient plus favorables, " a déclaré B. Andrei Bernevig, professeur de physique à l'Université de Princeton et l'un des auteurs de la présente étude qui vise à remédier à ce problème.

Dans l'étude, Publié dans La nature , une équipe internationale de chercheurs a fait un grand pas vers la découverte de matériaux magnétiques aux propriétés électroniques topologiques non négligeables.

« La classification et le diagnostic de la topologie des bandes dans les matériaux magnétiques bouclent effectivement la boucle entamée il y a 40 ans dans un domaine dont la pertinence a été renforcée par les prix Nobel de physique en 1985 et 2016, " dit l'auteur Claudia Felser, directeur à l'Institut Max Planck de Dresde.

En 2017, une équipe de chercheurs de l'Université de Princeton, l'Université du Pays Basque, Institut Max Planck, et le DIPC a développé un nouveau compréhension complète de la structure des bandes dans les matériaux non magnétiques. "Dans cette théorie - la chimie quantique topologique (TQC) - nous avons lié les caractéristiques topologiques d'un matériau à sa chimie sous-jacente. Cela a rendu la recherche de matériaux topologiques non magnétiques sous une forme qui pourrait efficacement être automatisée, " a déclaré Luis Elcoro, professeur à l'Université du Pays Basque à Bilbao et co-auteur des deux études. TQC représente un cadre universel pour prédire et caractériser toutes les structures de bandes possibles et cristallines, matériaux stoechiométriques. TQC a en outre été appliqué à 35, 000 composés non magnétiques établis expérimentalement, menant à la découverte de 15, 000 nouveaux matériaux topologiques non magnétiques.

« Nous avons identifié des milliers de matériaux topologiques au cours des deux dernières années, alors que seules quelques centaines ont été identifiées auparavant au cours des deux dernières décennies. Avant l'application de ces nouveaux outils, la recherche de nouveaux matériaux avec ces propriétés étonnantes était comme chercher une aiguille dans une botte de foin au crépuscule. Maintenant, la recherche de matériaux topologiques non magnétiques est presque un exercice de routine, " dit Maia Vergniory, maître de conférences à la Fondation IKERBASQUE pour la Science et au DIPC, et co-auteur des deux études.

La recherche actuelle s'est de plus en plus concentrée sur les composés magnétiques. Très peu de matériaux magnétiques ont été théoriquement proposés pour héberger des phases topologiques magnétiques antiferromagnétiques, et seule une poignée a été confirmée expérimentalement. "Une théorie équivalente à la TQC est nécessaire pour obtenir un succès comparable dans l'étude des matériaux magnétiques. Cependant, car il y a plus d'un millier de groupes de symétrie magnétique à considérer, le problème est essentiellement insoluble par la force brute, " a déclaré Benjamin Wieder, chercheur postdoctoral au Massachusetts Institute of Technology et à Princeton, et auteur de la présente étude.

Les chercheurs se sont heurtés à deux obstacles principaux pour reproduire le succès obtenu avec les matériaux non magnétiques :d'une part, la machinerie théorique nécessaire pour analyser la topologie des bandes d'un matériau magnétique donné devait être élucidée. "Nous voyons l'ensemble complet d'outils comme un bâtiment. Alors que les matériaux non magnétiques représentaient une maison de ville solide, la théorie complète des matériaux magnétiques était essentiellement un gratte-ciel inachevé, " dit Zhida Song, chercheur postdoctoral à Princeton et auteur de la nouvelle étude.

Pour la découverte de matériaux topologiques, un autre problème est que le nombre de matériaux magnétiques dont la structure magnétique est connue de manière fiable en détail est plutôt faible. "Alors que nous en avions 200, 000 composés non magnétiques à analyser, la plus grande base de données de structures magnétiques mesurées expérimentalement a environ 1, 000 entrées. Ce n'est qu'au cours de la dernière décennie que les scientifiques ont sérieusement tenté de classer et de collecter les données structurelles de ces matériaux magnétiques, " ajoute l'auteur Nicolas Regnault, professeur à l'Ecole Normale Supérieure, CNRS, et Princeton.

"Heureusement, nous avons eu le travail assidu des personnes derrière la base de données des structures magnétiques du serveur cristallographique de Bilbao, ce qui nous a permis de saisir les bonnes données initiales dans nos modèles théoriques, " dit Yuanfeng Xu, chercheur postdoctoral à l'Institut Max Planck de Halle, et le premier auteur de la présente étude. Les informations magnétiques sont hébergées dans le serveur cristallographique de Bilbao, qui est partiellement développé par le professeur Elcoro.

Après une sélection des meilleurs candidats potentiels, l'équipe a analysé 549 structures magnétiques en appliquant d'abord des méthodes ab-initio pour obtenir les symétries magnétiques des fonctions d'onde électroniques, puis construire une extension magnétique de TQC pour déterminer quelles structures magnétiques hébergeaient une topologie de bande électronique non triviale. "À la fin, nous avons constaté que la proportion de matériaux magnétiques topologiques (130 sur 549) dans la nature semble être similaire à la proportion de composés non magnétiques, " a ajouté le Dr Xu.

Malgré le faible nombre absolu de composés magnétiques par rapport aux milliers de matériaux non magnétiques étudiés jusqu'à présent, les auteurs ont trouvé une diversité encore plus grande de caractéristiques fascinantes. "Le nombre de boutons pour des études expérimentales intrigantes, comme le contrôle des transitions de phase topologiques, semble être plus grand dans les matériaux magnétiques, " a déclaré le Dr Xu. " Maintenant que nous avons prédit de nouveaux matériaux topologiques magnétiques, l'étape suivante consiste à vérifier expérimentalement leurs propriétés topologiques, " a ajouté l'auteur Yulin Chen, professeur à Oxford et Shanghai Tech.

Les chercheurs ont également créé une base de données en ligne pour accéder librement aux résultats de la présente étude - http://www.topologicalquantumchemistry.fr/magnetic. En utilisant différents outils de recherche, les utilisateurs peuvent explorer les propriétés topologiques des plus de 500 structures magnétiques analysées. "Nous avons posé les bases d'un catalogue de structures magnétiques topologiques. La standardisation de l'utilisation de la symétrie magnétique dans des contextes expérimentaux et théoriques, accompagnée de la généralisation des outils développés dans ce travail, devrait conduire à une explosion encore plus importante de découvertes dans les matériaux topologiques magnétiques au cours des prochaines années, " a déclaré Bernevig.