Les 37 points de Weyl non appariés dans l'espace réciproque 3D de GaPt, et la composante du champ de courbure de Berry (analogue au champ magnétique) dans le plan kz=0. Crédit :Dr Ma Junzhang
Semblable à un aimant qui a toujours les pôles sud et nord, une sorte de quasi-particules spéciales dans la matière condensée appelées "Weyl Fermions" apparaissent toujours par paires avec une chiralité opposée. Il n'y avait eu aucun rapport expérimental que des points de Weyl non appariés existent dans la matière condensée jusqu'à récemment, un physicien de la City University of Hong Kong (CityU) a observé le premier monopôle magnétique singulier de Weyl non apparié dans un type spécifique de solide monocristallin.
Les travaux de recherche ont été co-dirigés par le Dr Ma Junzhang, Professeur assistant au Département de physique de CityU et scientifiques collaborateurs de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et de l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse. Il a été publié en Communication Nature , intitulé "Observation d'un point de Weyl singulier entouré de parois nodales chargées en PtGa."
"Notre groupe est le premier à voir et à enregistrer un monopôle magnétique de Weyl non apparié dans l'expérience. Les résultats ouvrent une nouvelle voie pour rechercher les propriétés topologiques en vrac des monopôles magnétiques de Weyl non appariés dans les solides, qui favorisera la compréhension de la physique topologique de base, et l'application des semi-métaux de Weyl en spintronique, " dit le Dr Ma.
Points de Weyl :propriétés similaires avec les monopôles magnétiques
Dans le monde réel, un aimant doit avoir simultanément les pôles sud et nord. Les théories physiques modernes suggèrent l'existence d'un monopôle magnétique, c'est-à-dire une unité élémentaire quantique d'aimant avec un seul pôle. Mais si loin, il n'y a eu aucune preuve expérimentale ou observationnelle connue de l'existence de monopôles magnétiques. La recherche de monopôles magnétiques a été un rêve pour la communauté de la physique moderne.
De la même manière, Les points de Weyl dans la matière condensée (y compris le cristal semi-métallique) ont les mêmes propriétés que les monopôles magnétiques. "Par conséquent, Les points de Weyl dans la matière condensée sont également appelés monopôles magnétiques de Weyl, " a expliqué le Dr Ma.
Mais il y a une différence pour les points Weyl, basé sur les perceptions de nombreux physiciens. Il est largement admis que l'existence d'un monopôle magnétique de Weyl non apparié dans les solides est impossible en raison du théorème de Nielsen-Ninomiya no-go bien connu. Par conséquent, on pense que les monopôles magnétiques de Weyl dans les semi-métaux devraient toujours apparaître par paires avec des charges opposées dans l'espace de quantité de mouvement 3D. Et les projections des monopôles à la surface du monocristal doivent toujours être reliées par un type d'état conducteur appelé arcs de Fermi, qui agit comme un canal électronique que les électrons peuvent transporter à travers lui.
Observation expérimentale d'un monopôle magnétique non apparié dans l'espace énergie-impulsion du PtGa. Crédit :Dr Ma Junzhang
Aucun précédent expérimental réussi
Des efforts théoriques considérables ont été consacrés à la recherche de monopôles de Weyl non appariés au-delà de ce théorème de non-droit, mais aucune expérience réussie n'a été signalée dans le passé. De nombreux scientifiques pensaient qu'un tel type de "substance non appariée" était difficile à exister dans les solides monocristallins.
Mais le Dr Ma ne le pensait pas. Il a recherché des milliers de composés dans la base de données et a finalement découvert que quelques dizaines d'entre eux sont des candidats potentiels hébergeant des monopôles de Weyl non appariés. Ses suggestions ont été soutenues par ses collègues théoriciens Dr Wu Quansheng, et le professeur Oleg Yazyev de l'EPFL. Après ça, une équipe dirigée par le Dr Ma et le professeur Shi Ming du PSI a commencé une série d'expériences de photoémission à la source de lumière suisse du PSI et a prouvé avec succès les idées principales.
Combinant des expériences de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) avec des calculs de théorie fonctionnelle de la densité, l'équipe de recherche a révélé pour la première fois que des monopôles de Weyl non appariés peuvent émerger dans divers composés. En étudiant le candidat prometteur, cristal semi-métal platine gallium (PtGa), l'équipe de recherche a identifié 37 monopôles de Weyl dans l'espace de quantité de mouvement, et a découvert que le système héberge un nombre impair de 37 points Weyl avec une charge +1 ou une charge -1 qui les empêchent de s'apparier.
Ils ont également démontré expérimentalement pour la première fois que des monopôles magnétiques non appariés peuvent exister dans l'espace de quantité de mouvement d'un solide sans arc de Fermi de surface. La géométrie du point de Weyl non apparié est assez différente de celle des semi-métaux de Weyl normaux, les propriétés devraient donc changer de manière significative dans ce nouveau type de matériaux, qui définit une nouvelle direction d'étude.
Une nouvelle direction de recherche
Le Dr Ma pense que la découverte révolutionnaire du monopôle magnétique de Weyl non apparié peut fournir un nouvel aperçu de la physique fondamentale du monopôle magnétique de Weyl dans la matière condensée. Et les propriétés spéciales du monopôle magnétique de Weyl, telles que la mobilité électronique élevée, réponse particulière à un champ magnétique extérieur et faible taux de chaleur, peut en faire un bon candidat pour les dispositifs informatiques spintroniques comme l'informatique quantique et l'informatique neuromorphique à l'avenir.
