Une nouvelle étude fournit la première preuve de particules exotiques, appelées quasiparticules topologiques quadruples, dans l'alliage métallique monosiliciure de cobalt. Publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , cette analyse complète, celui qui combine des données expérimentales avec des modèles théoriques, fournit une compréhension détaillée de ce matériel. Ces informations pourraient être utilisées pour concevoir ce matériau et d'autres matériaux similaires dotés de propriétés uniques et contrôlables. La découverte est le résultat d'une collaboration entre des chercheurs de Penn, Université de Fribourg, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Max Planck de Physique Chimique des Solides, et l'Université du Maryland.

Les théories qui sous-tendent les isolants topologiques, des matériaux à surface conductrice et à âme isolante, ont été lancés par Penn's Charlie Kane et Eugene Mele, lauréats du Breakthrough Prize 2019 en physique fondamentale. Par leurs contributions théoriques sur la topologie et la symétrie, Kane et Mele ont postulé l'existence de cette nouvelle classe de matériaux, ceux qui pourraient être utilisés pour créer de l'électronique à haut rendement ou des plates-formes d'informatique quantique.

"Mais le désir de tous les théoriciens est que leur travail se traduise dans le monde réel, " dit le chimiste Andrew M. Rappe, qui collabore avec Kane et Mele sur les moyens de découvrir des matériaux du monde réel qui ont ces propriétés exotiques. « L'embauche récente du professeur Liang Wu porte notre groupe de physique topologique à un nouveau niveau, celui où l'on peut comprendre les matériaux et observer leurs propriétés, le tout dans une clôture, boucle collaborative."

Depuis son arrivée à Penn en 2018, Wu et son laboratoire ont utilisé des expériences d'optique pour étudier comment la lumière interagit avec les matériaux topologiques et souhaitent valider certaines des théories existantes sur cette classe de matériaux. L'année dernière, L'étudiant diplômé Zhuoliang Ni menait des expériences laser à impulsion lumineuse avec du monosiliciure de cobalt (CoSi) pour mieux comprendre la relation entre la topologie et l'optique non linéaire et pour voir s'ils pouvaient utiliser ce matériau pour convertir la lumière en courant électrique. Les données qu'ils ont collectées semblaient suggérer qu'il pourrait y avoir des caractéristiques topologiques uniques de CoSi. "Je me suis rendu compte qu'il y a quelque chose d'intéressant dans la conductivité optique en elle-même, " dit Wu, qui a ensuite contacté Mele et Rappe pour développer une théorie pour aider à expliquer les résultats de leur expérience.

Alors que CoSi avait été étudié auparavant, les nouvelles données recueillies par le laboratoire de Wu étaient de meilleure qualité que les travaux précédents, permettant aux chercheurs de développer un modèle qui a fourni une explication plus robuste de leurs résultats.

"Les prédictions de la physique topologique suggèrent que ce matériau devrait avoir des propriétés passionnantes, telles que la conductivité optique linéaire avec une énergie photonique croissante, mais un matériau réel a de nombreux phénomènes en même temps, " dit Rappe. " Les théoriciens rendent progressivement leur modèle plus compliqué et plus réaliste, et les expérimentateurs tiennent compte d'autres caractéristiques pour simplifier la présentation expérimentale. C'est ainsi que nous parvenons à nous mettre d'accord sur les caractéristiques pouvant être attribuées aux propriétés topologiques."

Après près d'un an d'analyse de données et d'itération sur différentes théories, l'une des choses qui se sont démarquées était la qualité de ces modèles, allant du simple au complexe, d'accord les uns avec les autres. "C'est surprenant de voir ce niveau d'accord pour nous-mêmes, " dit l'étudiant diplômé Zhenyao Fang, qui a dirigé la partie théorique de cette étude. "Certains modèles sont purement dérivés de théories physiques, et certains sont des modèles numériques dérivés des méthodes des premiers principes, il est donc surprenant d'observer ce genre d'accord entre eux."

Maintenant, grâce à une combinaison de données plus propres et de modèles théoriques robustes, cette cohésion entre la théorie et les expériences démontrées dans cet article représente un grand pas en avant, dit Wu. "L'accord entre l'expérience et la théorie est extrêmement bon, " ajoute-t-il. "Nous donnons ici un exemple d'une combinaison complète d'expérience et de compréhension théorique, et cela peut être appliqué à de nombreux autres nouveaux matériaux ou systèmes qui seront découverts à l'avenir."

Parce que le CoSi fait partie d'une famille de matériaux avec une structure cristalline très commune, le matériau pourrait être utilisé dans des alliages à magnétisme conçus pour avoir des propriétés magnétiques topologiques plus complexes en raison de la capacité de contrôler leur conception atome par atome.

Ce travail est également une vitrine de l'expertise de Penn en physique topologique et ouvre la voie à de futurs progrès expérimentaux et théoriques dans ce domaine à l'Université, dit Rappé. « Nous avons maintenant un groupe dynamique qui fusionne les efforts en électronique topologique et en photonique, " dit-il. " La physique topologique se développe, et nous avons ouvert la voie que d'autres personnes peuvent suivre avec d'autres matériaux pour concevoir des propriétés opto-électroniques souhaitables."