Des électrons dans un métal quantique topologique attendent d'être activés par un champ magnétique. Une fois qu'ils commencent à bouger, ils suivent une hélice en spirale vers le haut - contrairement à l'image précédemment proposée d'électrons se déplaçant en cercles dans un plan à deux dimensions. Cela crée un effet spécial qui est à la base de phénomènes quantiques topologiques prometteurs. Crédit :Jörg Bandmann
Des scientifiques du pôle d'excellence ct.qmat—Complexité et topologie dans la matière quantique ont développé une nouvelle compréhension du comportement des électrons dans des champs magnétiques puissants. Leurs résultats expliquent les mesures de courants électriques dans les matériaux tridimensionnels qui signalent un effet Hall quantique, un phénomène jusqu'à présent associé uniquement aux métaux bidimensionnels. Ce nouvel effet 3D peut être à la base de phénomènes quantiques topologiques, qui sont considérés comme des candidats particulièrement robustes et donc prometteurs pour des technologies quantiques extrêmement puissantes. Ces résultats viennent d'être publiés dans la revue scientifique Communication Nature .
Le Dr Tobias Meng et le Dr Johannes Gooth sont des chercheurs en début de carrière dans le pôle d'excellence Würzburg-Dresdner ct.qmat qui étudie les matériaux quantiques topologiques depuis 2019. Ils pouvaient à peine croire les conclusions d'une récente publication dans La nature affirmant que les électrons du métal topologique pentatellurure de zirconium (ZrTe
Les électrons attendent leur tour
Les recherches de Meng et Gooth brossent un nouveau tableau du fonctionnement de l'effet Hall dans les matériaux tridimensionnels. Les scientifiques pensent que les électrons se déplacent à travers le métal le long de chemins tridimensionnels, mais leur transport électrique peut encore apparaître comme bidimensionnel. Dans le métal topologique pentatellurure de zirconium, ceci est possible car une fraction des électrons attend toujours d'être activée par un champ magnétique externe.
"La façon dont les électrons se déplacent est cohérente dans toutes nos mesures, et similaire à ce qui est autrement connu des effets Hall quantiques bidimensionnels. Mais nos électrons montent en spirales, plutôt que d'être confiné à un mouvement circulaire dans les plans. C'est une différence intéressante par rapport à l'effet Hall quantique et aux scénarios proposés pour ce qui se passe dans le matériau ZrTe5, " commente Meng sur la genèse de leur nouveau modèle scientifique. " Cela ne fonctionne que parce que tous les électrons ne bougent pas à tout moment. Certains restent immobiles, comme s'ils faisaient la queue. Ce n'est que lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué qu'ils deviennent actifs."
La résistivité de Hall en fonction du champ magnétique appliqué à 2 K en unités de la constante de Planck h, la charge élémentaire e et le vecteur d'onde de Fermi le long du champ magnétique appliqué kF, z Un croquis de l'échantillon est affiché en haut à gauche. La surface de Fermi tridimensionnelle des électrons dans ZrTe5 est représentée en bas à droite. Crédit :© MPI CPfS
Les expériences confirment le modèle
Pour leurs expériences, les scientifiques ont refroidi le matériau quantique topologique à -271 degrés Celsius et appliqué un champ magnétique externe. Puis, ils ont effectué des mesures électriques et thermoélectriques en envoyant des courants à travers l'échantillon, étudié sa thermodynamique en analysant les propriétés magnétiques du matériau, et ultrasons appliqués. Ils ont même utilisé les rayons X, Raman et spectroscopie électronique pour examiner le fonctionnement interne du matériau. "Mais aucune de nos sept mesures n'a laissé entendre que les électrons se déplacent uniquement en deux dimensions, " explique Meng, chef du groupe Emmy Noether pour le design quantique à TUD et théoricien de premier plan dans le présent projet. "Notre modèle est en fait étonnamment simple, et explique toujours parfaitement toutes les données expérimentales."
Perspectives pour les matériaux quantiques topologiques en 3D
L'effet Hall quantique, lauréat du prix Nobel, a été découvert en 1980 et décrit la conduction progressive du courant dans un métal. C'est une pierre angulaire de la physique topologique, un domaine qui a connu un essor depuis 2005 en raison de ses promesses pour les matériaux fonctionnels du 21ème siècle. À ce jour, cependant, l'effet Hall quantique n'a été observé que dans les métaux bidimensionnels. Les résultats scientifiques de la présente publication élargissent la compréhension du comportement des matériaux tridimensionnels dans les champs magnétiques. Les membres du cluster Meng et Gooth ont l'intention de poursuivre cette nouvelle direction de recherche :« Nous voulons absolument étudier plus en détail le comportement de mise en file d'attente des électrons dans les métaux 3D, " dit Meng.
