Les matériaux topologiques sont caractérisés par des propriétés électroniques et physiques uniques qui sont déterminées par la topologie sous-jacente de leurs systèmes électroniques. Des scientifiques des instituts Max Planck de physique des microstructures (Halle) et de physique chimique des solides (Dresde) ont maintenant découvert que (TaSe 4 ) 2 I est le premier matériau dans lequel une onde de densité de charge induit une transition de phase entre l'état semi-métal à isolant.

Une équipe internationale de scientifiques du Max Planck Institute for Microstructure Physics, Halle (Saale), l'Institut Max Planck de Physique Chimique des Solides à Dresde, L'université d'Oxford, Académie chinoise des sciences, MIT, et l'Université de Princeton a découvert le premier exemple d'une transition de phase topologique semi-métal à isolant induite par la corrélation dans des monocristaux du matériau (TaSe 4 ) 2 I. Au cours des dernières années, il y a eu un intérêt croissant pour le domaine des matériaux topologiques qui présentent des propriétés électroniques et physiques uniques dérivées de la topologie sous-jacente de leurs systèmes électroniques. (TaSe 4 ) 2 I est un matériau inhabituel qui est connu pour subir une distorsion structurelle juste en dessous de la température ambiante résultant d'une onde de densité de charge.

En raison des corrélations d'électrons, le gaz d'électrons dans le système devient instable à une variation périodique à longue distance de la densité de charge électronique qui est intimement couplée à une modulation périodique des positions atomiques dans la structure cristalline. En même temps, ce même matériau s'est avéré être un métal topologique d'un type particulier, à savoir un semi-métal de Weyl. Ce type de métal topologique possède un système électronique qui affiche des points de Weyl où des bandes électroniques à dispersion linéaire se croisent sans former de bande interdite énergétique. Ces points de Weyl dans (TaSe 4 ) 2 je viens en binôme, dont chacun a une chiralité opposée, et les auteurs de l'article montrent que (TaSe 4 ) 2 J'ai 24 paires de tels points avec une énorme charge dite chirale correspondante de +16.

Dans l'étude publiée dans la revue Physique de la nature, à l'aide d'un ensemble de sondes expérimentales sophistiquées de la structure électronique et cristalline, l'équipe internationale, dont les membres incluent les expérimentateurs Claudia Felser, Directeur à l'Institut Max Planck de Chimie Physique des Solides , Holger Meyerheim, un chercheur, et Stuart Parkin, Réalisateur, à l'Institut Max Planck de physique des microstructures, Yulin Chen de l'Université d'Oxford, et le théoricien Andrei Bernevig de l'Université de Princeton, ont montré que les propriétés topologiques de ce composé sont intimement liées à l'onde de densité de charge, dont le vecteur d'onde est dérivé des connexions entre les points de Weyl de charge chirale opposée.

"C'était très difficile, mais très excitant, pour identifier l'onde de densité de charge dans ce matériau. Nous avions besoin d'utiliser des sources de rayons X très brillantes disponibles, par exemple, à l'installation européenne de rayonnement synchrotron, Grenoble, pour trouver les signatures de pic de diffraction très faibles de l'onde de densité de charge, " Meyerheim a souligné. Au fur et à mesure que l'échantillon est refroidi, de fortes corrélations électroniques entraînent le système dans l'état d'onde de densité de charge, ce qui entraîne une transition d'un semi-métal topologique de Weyl à un isolant. En même temps, nouvelle physique, rapporté dans un article précédent par les mêmes groupes, apparaît sous la transition.

"Qui aurait cru que nous aurions trouvé une physique des électrons corrélée aussi sophistiquée dans un tel matériau 1D, " remarque Felser. Ce travail montre un lien intime entre la topologie et les corrélations et fournit une piste pour observer les réalisations de la matière condensée de l'électrodynamique des axions - un nouveau type de couplage entre les champs électriques et magnétiques - dans un régime qui était auparavant inaccessible. un premier exemple, « nos calculs des structures électroniques de nombreux matériaux nous assurent qu'il doit y avoir beaucoup plus de systèmes de ce type où corrélations et topologie s'entremêlent » a fait remarquer Bernevig et « nous sommes ravis de les rechercher dans des expériences, " a ajouté Yulin. En manipulant le début de l'onde de densité de charge, on peut accéder directement à la transition topologique Weyl Semimetal-Axion Insulator. "Ces matériaux sont un riche terrain de jeu pour des applications potentielles dans les futurs appareils électroniques, un nouveau domaine de ce que vous pourriez appeler "topaxtronics!" Stuart Parkin prédit.