Une classe de matériaux qui a attiré une attention particulière est celle des isolants Hall anormaux quantiques. Ces matériaux ont des propriétés intéressantes qui leur permettent de conduire l'électricité de manière hautement contrôlée et efficace, en tirant parti des effets de la mécanique quantique et du magnétisme.

Des chercheurs de l’Université Fudan en Chine ont récemment tenté d’identifier de nouveaux isolants Hall anormaux quantiques prometteurs. Leur dernier article, publié dans Physical Review Letters , décrit les caractéristiques uniques de la monocouche V₂ MX₄ , qui pourrait appartenir à une nouvelle famille d'isolateurs Hall anormaux quantiques.

"La découverte de matériaux Hall anormaux quantiques intrinsèques est un objectif important dans la recherche sur les matériaux topologiques", a déclaré Jing Wang, co-auteur de l'article, à Phys.org. "Après avoir prédit MnBi₂ Te₄ , un exemple paradigmatique d'isolant topologique magnétique et présentant un effet Hall anormal quantique dans une couche impaire, nous avons réfléchi à la recherche d'un nouvel isolant Hall anormal quantique intrinsèque avec un grand écart. "

Les matériaux isolants Hall anormaux quantiques à grand écart présentent un effet Hall anormal quantique avec un écart énergétique relativement grand entre la valence et la bande de conduction. Ces matériaux devraient présenter une synergie entre deux propriétés apparemment contradictoires, à savoir le couplage spin-orbite et le ferromagnétisme.

"La clé est enracinée dans les orbitales D, dans lesquelles coexistent à la fois la topologie et le magnétisme", a déclaré Wang. "Dans nos travaux précédents, nous avons initialement présenté ATiX, une classe de matériaux Hall quantiques anormaux caractérisés par le groupe spatial P4/nmm", a déclaré Wang. "L'analyse de symétrie dans P4/nmm nous a finalement conduit à identifier V₂ MX₄ matériaux du groupe spatial P-42m."

V₂ MX₄ , la nouvelle famille de matériaux identifiée par Wang et ses collaborateurs pourrait être synthétisée à l'aide de procédés largement utilisés pour synthétiser des composés ayant des structures similaires, tels que Cu₂ MX₄ et Ag₂ MX₄ . Cette nouvelle famille de matériaux comprend un total de 10 matériaux présentant des bandes interdites topologiques non triviales et des propriétés similaires, dont six ont été théoriquement prouvés comme présentant une stabilité à la fois dynamique et thermodynamique.

"L'abondance des candidats souligne l'universalité de cette structure, renforçant les perspectives de synthèse", a expliqué M. Wang. "En termes de performances, nous pensons qu'une description appropriée de V₂ MX₄ la famille est « simple mais puissante ». La simple règle de Hund donne des températures de Curie élevées (allant de 200 à 500 K). L'inversion de bande au point Gamma produit une large bande interdite topologique non triviale (allant de 100 à 300 meV)."

Les calculs numériques et simulations effectués par Wang et ses collègues suggèrent que V₂ MX₄ les matériaux ont de riches propriétés topologiques. Ce sont des isolants Hall anormaux quantiques dans leur couche impaire, des isolateurs d'axions dans leur couche paire, des isolants topologiques antiferromagnétiques dans leur état fondamental 3D et des isolateurs Hall anormaux quantiques 3D dans leur état ferromagnétique 3D.

Les chercheurs ont maintenant commencé à collaborer avec une équipe de physiciens expérimentaux pour synthétiser V₂ MX₄ en laboratoire. Leurs travaux pourraient ouvrir la voie à l'identification d'autres isolants Hall anormaux quantiques prometteurs, qui pourraient avoir des implications intéressantes pour la recherche en physique quantique et le développement de la technologie quantique.

"V₂ MX₄ se démarque comme l'un des candidats les plus compétitifs pour les isolants Hall anormaux quantiques à haute température avec de grands écarts », a ajouté Wang. « S'il était réalisé expérimentalement, cela pourrait grandement promouvoir la recherche et l'application de la physique quantique topologique. Un objectif important de nos prochaines recherches sera de trouver de nouveaux matériaux isolants topologiques intrinsèques, et nous collaborerons simultanément avec des groupes expérimentaux pour fabriquer V₂ MX₄ ."