(a) Arcs de Fermi résolus en spin mesurés dans 2 ML Fe/W(110) à gauche et à droite de la carte de quantité de mouvement. Les couleurs indiquent la composante de spin dans le plan le long de la direction x, qui est orthogonale à l'aimantation de l'échantillon (b) Les flèches indiquent la texture de spin théorique complète dans l'espace d'impulsion, révélant une non-colinéarité importante pour les arcs de Fermi (rouge) par rapport à les états intérieurs (gris). (c) Distribution de la courbure de Berry impulsion-espace théorique de toutes les bandes occupées dans 2 MLs Fe/W(110), autour d'une des paires d'arcs de Fermi. Crédit :Ying-Jiun Chen et al, Nature Communications , https://doi.org/10.1038/s41467-022-32948-z (CC-BY)
Les chercheurs de Jülich ont pu démontrer pour la première fois un état électronique exotique, appelé arcs de Fermi, dans un matériau 2D. L'apparition surprenante d'arcs de Fermi dans un tel matériau établit un lien entre les nouveaux matériaux quantiques et leurs applications potentielles respectives dans une nouvelle génération de spintronique et d'informatique quantique. Les résultats ont récemment été publiés dans Nature Communications .
Les arcs de Fermi nouvellement détectés représentent des déviations spéciales - en forme d'arc - par rapport à la surface dite de Fermi. La surface de Fermi est utilisée en physique de la matière condensée pour décrire la distribution de quantité de mouvement des électrons dans un métal. Normalement, ces surfaces de Fermi représentent des surfaces fermées. Les exceptions telles que les arcs de Fermi sont très rares et sont souvent associées à des propriétés exotiques telles que la supraconductivité, la magnétorésistance négative et des effets de transport quantique anormaux.
Le défi technologique d'aujourd'hui est de développer le contrôle "à la demande" des propriétés physiques des matériaux. Cependant, de tels tests expérimentaux ont été largement limités aux matériaux en vrac et sont des grands défis majeurs dans la science de la matière condensée. Avec son paradigme révolutionnaire, les résultats présentent une nouvelle frontière prometteuse pour le contrôle quantique des états topologiques dans les systèmes de faible dimension par des moyens externes - le champ magnétique externe qui offre des capacités sans précédent sur les matériaux 2D pour l'intelligence artificielle ainsi que le traitement futur de l'information.
Le matériau analysé est un matériau 2D dit topologique. Les matériaux topologiques ont des propriétés particulières qui résultent des interactions des électrons avec la structure cristalline et sont protégés contre les influences parasites. Les matériaux 2D, quant à eux, sont des matériaux constitués d'une seule couche d'atomes ou de molécules et font l'objet de recherches intensives en raison de leurs propriétés inhabituelles. Un exemple bien connu est le graphène, composé de carbone monocouche.
Le graphène présente des propriétés physiques exotiques par rapport à son homologue en vrac. Le matériau mentionné dans l'article est une couche atomique de fer 2D. Comparés au graphène, ces aimants hybrides 2D sont une classe de matériaux qui révèlent des phénomènes émergents supplémentaires dans la limite d'une seule couche. Par exemple, cela peut conduire à des applications potentielles de l'anomalie chirale dans les dispositifs et ouvrir un nouveau domaine de recherche dans le domaine des matériaux topologiques fortement corrélés.
Pour ce travail, les chercheurs ont mené des expériences au synchrotron Elettra à Trieste, en Italie. Là, un consortium international dirigé par Forschungszentrum Jülich exploite le microscope Momentum à résolution de spin sur la ligne de lumière NanoESCA. Les scientifiques conçoivent et synthétisent un nouveau candidat isolant cristallin topologique stable à l'air en couches
