Des physiciens américains et européens ont démontré une nouvelle méthode pour prédire si des composés métalliques sont susceptibles d'héberger des états topologiques résultant de fortes interactions électroniques.

Des physiciens de l'Université Rice, à la tête de la recherche et en collaboration avec des physiciens de l'Université de Stony Brook, de l'Université de technologie de Vienne en Autriche (TU Wien), du Laboratoire national de Los Alamos, du Centre international de physique de Donostia en Espagne et de l'Institut Max Planck de physique chimique des solides en Allemagne, ont dévoilé leur nouveau principe de conception dans une étude publiée en ligne aujourd'hui dans Nature Physics .

L'équipe comprend des scientifiques de Rice, TU Wien et Los Alamos qui ont découvert le premier semi-métal topologique fortement corrélé en 2017. Ce système et d'autres que le nouveau principe de conception cherche à identifier sont largement recherchés par l'industrie de l'informatique quantique car les états topologiques ont des caractéristiques immuables qui ne peuvent pas être effacé ou perdu à cause de la décohérence quantique.

"Le paysage de la matière topologique fortement corrélée est à la fois vaste et largement inexploré", a déclaré le co-auteur de l'étude Qimiao Si, professeur de physique et d'astronomie Harry C. et Olga K. Wiess de Rice. "Nous espérons que ce travail aidera à guider son exploration."

En 2017, le groupe de recherche de Si à Rice a réalisé une étude de modèle et a découvert un état surprenant de la matière qui abritait à la fois un caractère topologique et un exemple par excellence de physique à forte corrélation appelée effet Kondo, une interaction entre les moments magnétiques d'électrons corrélés confinés à atomes dans un métal et les spins collectifs de milliards d'électrons de conduction qui passent. Parallèlement, une équipe expérimentale dirigée par Silke Paschen de TU Wien a introduit un nouveau matériau et a signalé qu'il avait les mêmes propriétés que celles de la solution théorique. Les deux équipes ont nommé l'état fortement corrélé de la matière un semi-métal de Weyl-Kondo. Si a déclaré que la symétrie cristalline jouait un rôle important dans les études, mais que l'analyse restait au niveau de la preuve de principe.

"Nos travaux de 2017 se sont concentrés sur une sorte d'atome d'hydrogène de symétrie cristalline", a déclaré Si, un physicien théoricien qui a passé plus de deux décennies à étudier des matériaux fortement corrélés comme les fermions lourds et les supraconducteurs non conventionnels. "Mais cela a ouvert la voie à la conception d'une nouvelle topologie métallique corrélée."

Les matériaux quantiques fortement corrélés sont ceux où les interactions de milliards et de milliards d'électrons donnent lieu à des comportements collectifs comme la supraconductivité non conventionnelle ou des électrons qui se comportent comme s'ils avaient plus de 1 000 fois leur masse normale. Bien que les physiciens aient étudié les matériaux topologiques pendant des décennies, ils n'ont commencé que récemment à étudier les métaux topologiques qui hébergent des interactions fortement corrélées.

"La conception de matériaux est très difficile en général, et concevoir des matériaux fortement corrélés est encore plus difficile", a déclaré Si, membre de la Rice Quantum Initiative et directeur du Rice Center for Quantum Materials (RCQM).

Si and Stony Brook's Jennifer Cano led a group of theorists that developed a framework for identifying promising candidate materials by cross-referencing information in a database of known materials with the output of theoretical calculations based on realistic crystal structures. Using the method, the group identified the crystal structure and elemental composition of three materials that were likely candidates for hosting topological states arising from the Kondo effect.

"Since we developed the theory of topological quantum chemistry, it has been a longstanding goal to apply the formalism to strongly correlated materials," said Cano, an assistant professor of physics and astronomy at Stony Brook and research scientist at the Flatiron Institute's Center for Computational Quantum Physics. "Our work is the first step in that direction."

Si said the predictive theoretical framework stemmed from a realization he and Cano had following an impromptu discussion session they organized between their respective working groups at the Aspen Center for Physics in 2018.

"What we postulated was that strongly correlated excitations are still subject to symmetry requirements," he said. "Because of that, I can say a lot about the topology of a system without resorting to ab initio calculations that are often required but are particularly challenging for studying strongly correlated materials."

To test the hypothesis, the theorists at Rice and Stony Brook carried out model studies for realistic crystalline symmetries. During the pandemic, the theoretical teams in Texas and New York had extensive virtual discussions with Paschen's experimental group at TU Wien. The collaboration developed the design principle for correlated topological-semimetal materials with the same symmetries as used in the model studied. The utility of the design principle was demonstrated by Paschen's team, which made one of the three identified compounds, tested it and verified that it hosted the predicted properties.

"All indications are that we have found a robust way to identify materials that have the features we want," Si said. + Explorer plus loin

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