Des scientifiques du laboratoire Ames du département américain de l'Énergie ont observé un nouvel ordre magnétique hélicoïdal dans le composé topologique EuIn 2 Comme 2 qui prend en charge la conduction électrique exotique accordable par un champ magnétique. La découverte a des implications importantes pour la recherche fondamentale sur les propriétés topologiques fonctionnelles et pourrait un jour être utilisée dans un certain nombre d'applications technologiques avancées.

Les matériaux topologiques ont fait irruption dans les sciences physiques il y a une quinzaine d'années, décennies après que leur existence ait été théorisée. Appelés « topologiques » parce que leurs bandes électroniques en vrac sont « nouées » ensemble, les surfaces des isolants topologiques "dénouent le nœud" et deviennent métalliques. Les chercheurs du Centre pour l'avancement des semi-métaux topologiques du laboratoire Ames (CATS) cherchent à découvrir, comprendre, et contrôler les propriétés de conduction exceptionnelles de ces matériaux.

Une grande partie de la technologie moderne repose sur des matériaux cristallins, qui sont des solides composés d'un arrangement répété (périodique) d'atomes qui forme un réseau. En raison de la périodicité, le treillis a le même aspect après certaines opérations de symétrie comme la translation, rotations spécifiques, miroir, et/ou renversement. L'existence ou l'absence de ces symétries affecte la topologie des bandes électroniques et la conduction électronique de surface. L'ordre magnétique peut modifier les symétries présentées par le matériau, fournissant un moyen supplémentaire pour contrôler l'état topologique.

En collaboration avec des scientifiques de la source de neutrons de spallation du laboratoire national d'Oak Ridge, Université McGill, et le Centre des réacteurs de recherche de l'Université du Missouri, l'équipe CATS a découvert l'existence d'un ordre magnétique hélicoïdal à faible symétrie dans EuIn 2 Comme 2 qui supporte un état topologique très recherché appelé isolant axionique. Cet état partage des similitudes avec la particule d'axion en chromodynamique quantique qui est un composant candidat de la matière noire. Dans les matériaux à l'état solide, il fournit un couplage parallèle remarquable entre les propriétés magnétiques et électriques.

En présence de l'ordre magnétique hélicoïdal complexe de EuIn 2 Comme 2 , l'état d'axion conduit à des caractéristiques topologiques dans le spectre électronique de surface appelées cônes de Dirac. Lorsqu'un cône de Dirac apparaît sur une surface du matériau traversée par un axe fondamental de l'ordre magnétique, le cône n'a pas de gap énergétique et la surface présente une conduction sans résistance liée à l'orientation du spin électronique. Les autres surfaces ont des cônes de Dirac écartés et supportent une conduction électrique quantifiée demi-entier. Les chercheurs prédisent que l'application d'un champ magnétique relativement modéré change quelles surfaces supportent quel type de cône de Dirac, permettant d'ajuster la conduction de surface.

La possibilité de basculer entre les états de surface par un champ magnétique fournit une voie expérimentale pour examiner les propriétés uniques de ses états topologiques. Cette accordabilité est également prometteuse pour des technologies telles que les capteurs de haute précision, nanofils sans résistance, supports de stockage magnétiques, et les ordinateurs quantiques. Les études futures examineront les cristaux en vrac tout en appliquant un champ magnétique et synthétiseront et étudieront des films minces à l'échelle nanométrique afin d'ouvrir la voie à des applications technologiques.

Le papier, "Électrodynamique des axions protégés par symétrie cristalline magnétique et cônes de Dirac non épinglés accordables par champ dans EuIn 2 Comme 2 , " est publié dans Communication Nature .