Diriger une collaboration d'institutions aux États-Unis et à l'étranger, le Département de chimie de l'Université de Princeton rapporte de nouvelles propriétés topologiques de la pyrite magnétique Disulfure de cobalt (CoS 2 ) qui élargissent notre compréhension des canaux électriques dans ce matériau longuement étudié.

En utilisant la spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire et des calculs ab-initio, des chercheurs travaillant avec le Schoop Lab ont découvert la présence de nœuds de Weyl dans la CoS2 en vrac qui leur permettent de faire des prédictions sur ses propriétés de surface. Le matériau héberge des états de surface Weyl-fermions et Fermi-arc au sein de sa structure de bande, ce qui peut lui permettre de servir de plate-forme à des phénomènes exotiques et le place parmi les matériaux candidats à une utilisation dans les dispositifs spintroniques.

La recherche règle également un débat de longue date, prouver que CoS 2 n'est pas un vrai demi-métal. Un demi-métal est toute substance qui agit comme conducteur pour les électrons d'une orientation de spin mais comme isolant ou semi-conducteur pour ceux d'orientation opposée. Bien que tous les demi-métaux soient ferromagnétiques, la plupart des ferroaimants ne sont pas des demi-métaux. Cette constatation que CoS 2 n'est pas un demi-métal a des implications importantes pour l'ingénierie des matériaux et des dispositifs.

Leslie Schoop, professeur assistant de chimie à Princeton Chemistry, a appelé le travail "une redécouverte d'une nouvelle physique dans un ancien matériau." La recherche a été publiée cette semaine dans Avancées scientifiques .

CoS 2 fait l'objet d'études depuis de nombreuses décennies en raison de son magnétisme itinérant, et depuis le début des années 2000, avant que les isolants topologiques ne soient prédits et découverts, en raison de son potentiel d'être un demi-métal. Les chercheurs étaient "heureux" de mettre fin à cette dernière discussion.

Grâce à la recherche Schoop, le matériau s'est avéré être un exemple rare de ce groupe de métaux topologiques magnétiques proposés comme agents de conversion charge-spin. En démêlant la structure électronique de masse et de surface du CoS 2 , les chercheurs ont démontré qu'il existe une relation entre les canaux électroniques dans le matériau interne qui peut prédire d'autres états à sa surface. Dans un matériau, un courant électrique peut traverser la masse ou circuler le long de la surface. Les chercheurs ont découvert que les CoS en vrac 2 contient des objets appelés nœuds de Weyl au sein de sa structure qui servent de canaux électroniques pouvant prédire d'autres états à la surface.

"La belle physique ici est que vous avez ces nœuds de Weyl qui exigent des états de surface polarisés en spin. Ceux-ci peuvent être récoltés pour des applications spintroniques, " dit Schoop.

"Ces états électroniques qui n'existent qu'à la surface ont une chiralité qui leur est associée, et à cause de cette chiralité, les électrons ne peuvent également se déplacer que dans certaines directions, " a-t-elle ajouté. " Certaines personnes pensent à utiliser ces états chiraux dans d'autres applications. Il n'y a pas beaucoup de matériaux magnétiques où ils ont été trouvés auparavant."

La chiralité fait référence à cette propriété qui rend un objet ou un système indiscernable de son image miroir, c'est-à-dire non superposable - et est une propriété importante dans de nombreuses branches de la science.

Schoop a ajouté que les canaux électroniques sont polarisés. Ce magnétisme pourrait potentiellement être utilisé pour manipuler le matériau :les scientifiques peuvent changer la direction de l'aimantation et les états de surface pourraient alors être reconfigurés en réponse à ce champ magnétique appliqué.

Co-auteur de l'article Maia Vergniory, du Centre international de physique de Donostia en Espagne, ajoutée, "Il n'y a que très peu de matériaux magnétiques qui ont été mesurés pour avoir de tels états de surface, ou arcs de Fermi, et c'est comme le quatrième, droit? Donc, c'est vraiment incroyable que nous puissions mesurer et comprendre les canaux de spin dans un matériau connu depuis si longtemps."

En tant que collègues en 2016, Schoop et Vergniory ont discuté de l'étude des propriétés matérielles du CoS 2 , en particulier s'il pouvait être classé comme un véritable demi-métal. L'enquête a connu plusieurs itérations après l'arrivée de Schoop à Princeton en 2017, et a été travaillé par des étudiants diplômés sous Schoop et sous Vergniory à Donostia.

Niels Schröter, un collègue à l'Institut Paul Scherrer en Suisse et auteur principal de l'article, a supervisé l'équipe de Swiss Light Source qui a cartographié les nœuds matériels de Weyl.

"Ce que nous voulions mesurer n'était pas seulement la structure électronique de surface, " a déclaré Schröter. "Nous voulions également apprendre quelque chose sur les propriétés électroniques en vrac, et afin d'obtenir ces deux informations complémentaires, nous avons dû utiliser la ligne de lumière spécialisée ADRESS de la source de lumière suisse pour sonder les électrons profondément dans la masse du matériau."

Schröter a expliqué comment les ingénieurs pourraient construire un appareil plus tard en utilisant ce matériau.

"Vous mettriez ce matériau en contact avec un autre matériau, par exemple avec un isolant magnétique ou quelque chose comme ça dans lequel vous voulez ensuite créer des ondes magnétiques en y faisant passer un courant électrique.

"La beauté de ces matériaux topologiques est que ces électrons interfaciaux qui peuvent être utilisés pour l'injection de spin, ils sont très robustes. Vous ne pouvez pas facilement vous en débarrasser. C'est ici que ces domaines de la topologie et de la spintronique peuvent se rencontrer, parce que la topologie est peut-être un moyen de s'assurer que ces états d'interface polarisés en spin sont en contact avec d'autres matériaux magnétiques que vous souhaitez contrôler avec des courants ou des champs."

Schoop ajouté, "Je pense que ce genre de redécouverte dans ce matériau très ancien et bien étudié est très excitant, et je suis content d'avoir ces deux incroyables collaborateurs qui m'ont aidé à le déterminer."