Au cours des dernières années, les découvertes en physique de la matière condensée ont permis de développer des matériaux et systèmes optimisés principalement utilisés dans les hautes technologies. Les phases topologiques sont notamment activement étudiées car elles permettent le développement de matériaux quantiques dont les structures électroniques sont extrêmement intéressantes en ingénierie. Récemment, des chercheurs ont découvert un nouveau type d’aimant topologique montrant des propriétés quantiques inhabituelles.
Une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l’Université de Princeton a découvert une nouvelle classe d’aimants qui présente de nouveaux effets quantiques s’étendant jusqu’à température ambiante. Les chercheurs ont découvert une phase topologique quantifiée dans un aimant vierge. Leurs résultats fournissent un aperçu d’une théorie vieille de 30 ans sur la façon dont les électrons se quantifient spontanément et révèlent une démonstration de principe pour découvrir de nouveaux aimants topologiques.
Le potentiel de la topologie quantique dans le développement technologique
Les aimants quantiques sont des cadres prometteurs pour des courants sans dissipation, une capacité de stockage élevée et les futures technologies vertes. Les racines de la découverte résident dans le fonctionnement de l’effet Hall quantique — une forme d’effet topologique qui a fait l’objet du prix Nobel de physique en 1985. C’était la première fois qu’une branche des mathématiques théoriques, appelée topologie, commençait fondamentalement à changer la façon dont nous décrivons et classons la matière qui compose le monde qui nous entoure.
Depuis, les phases topologiques ont été activement étudiées en science et en ingénierie. De nombreuses nouvelles classes de matériaux quantiques avec des structures électroniques topologiques ont été découvertes, y compris les isolants topologiques et les semi-métaux de Weyl. Cependant, alors que certaines des idées théoriques les plus intéressantes nécessitent du magnétisme, la plupart des matériaux explorés étaient non magnétiques et ne montraient aucune quantification, laissant de nombreuses hypothèses s’éteindre.
« La découverte d’un matériau topologique magnétique avec un comportement quantifié est une avancée majeure qui pourrait ouvrir de nouveaux horizons dans l’exploitation de la topologie quantique pour la future physique fondamentale et la recherche sur les dispositifs de nouvelle génération », explique Zahid Hasan, professeur de physique à Princeton.
Aimants kagone : ils peuvent héberger des phases magnétiques topologiques
Alors que des découvertes expérimentales se faisaient rapidement, la physique théorique excellait dans le développement d’idées conduisant à de nouvelles mesures. Des concepts théoriques importants sur les isolants topologiques 2D ont été proposés en 1988 par F. Duncan Haldane, le professeur Thomas D. Jones de physique mathématique et le professeur de physique Sherman Fairchild à Princeton, qui a reçu en 2016 le prix Nobel de physique pour les découvertes théoriques des transitions de phase topologiques et des phases topologiques de la matière.
Des développements théoriques ultérieurs ont montré que le magnétisme topologique hébergeant des isolants dans un arrangement atomique spécial connu sous le nom de réseau kagome peut héberger certains des effets quantiques les plus bizarres. Hasan et son équipe recherchent depuis une décennie un état quantique magnétique topologique pouvant également fonctionner à température ambiante depuis leur découverte des premiers exemples d’isolateurs topologiques tridimensionnels.
Récemment, ils ont trouvé une solution matérielle à la conjecture de Haldane dans un aimant à réseau kagome capable de fonctionner à température ambiante, qui présente également la quantification tant souhaitée. « Le réseau kagome peut être conçu pour posséder des croisements de bandes relativistes et de fortes interactions électron-électron. Les deux sont essentiels pour un nouveau magnétisme. Par conséquent, nous avons réalisé que les aimants kagome sont un système prometteur dans lequel rechercher des phases magnétiques topologiques, car ils sont comme les isolants topologiques que nous avons étudiés auparavant », indique Hasan.
La recherche d’une structure cristalline aux propriétés topologiques idéales
Pendant longtemps, la visualisation matérielle directe et expérimentale de ce phénomène est restée insaisissable. L’équipe a constaté que la plupart des aimants kagome étaient trop difficiles à synthétiser, que le magnétisme n’était pas suffisamment bien compris, qu’aucune signature expérimentale décisive de la topologie ou de la quantification ne pouvait être observée, ou qu’ils ne fonctionnaient qu’à des températures très basses.
Grâce à plusieurs années de recherches intenses sur plusieurs familles d’aimants topologiques, l’équipe s’est progressivement rendu compte qu’un matériau composé des éléments terbium, manganèse et étain (TbMn6Sn6) avait la structure cristalline idéale avec des propriétés chimiquement intactes, de mécanique quantique et des couches de kagome spatialement séparées.
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De plus, il présente uniquement une forte aimantation hors plan. Avec cet aimant kagome idéal synthétisé avec succès par des collaborateurs du groupe de Shuang Jia à l’Université de Pékin, le groupe de Hasan a commencé des mesures systématiques de pointe pour vérifier si les cristaux sont topologiques et, plus important encore, présentent l’état magnétique quantique exotique.
L’équipe de chercheurs de Princeton a utilisé une technique avancée connue sous le nom de microscopie à effet tunnel, capable de sonder les fonctions électroniques et d’onde de spin d’un matériau à l’échelle subatomique avec une résolution d’énergie inférieure au millivolt. Dans ces conditions affinées, les chercheurs ont identifié les atomes magnétiques du réseau kagome dans le cristal, résultats qui ont été confirmés par la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire de pointe avec résolution de l’impulsion.
Des résultats conformes à la théorie des aimants topologiques
Lorsque les chercheurs ont activé le champ magnétique, ils ont constaté que les états électroniques du réseau kagome se modulaient de façon spectaculaire, formant des niveaux d’énergie quantifiés d’une manière cohérente avec la topologie de Dirac. En élevant progressivement le champ magnétique à 9 Tesla, ce qui est des centaines de milliers de fois plus élevé que le champ magnétique terrestre, ils ont systématiquement cartographié la quantification complète de cet aimant.
Le diagramme quantifié mesuré par l’équipe fournit des informations précises révélant que la phase électronique correspond à une variante du modèle Haldane. Il confirme que le cristal présente une dispersion de Dirac polarisée en spin avec un grand écart de Chern, comme prévu par la théorie des aimants topologiques.
Maintenant, l’objectif théorique et expérimental du groupe se déplace vers les dizaines de composés avec des structures similaires au TbMn6Sn6, qui hébergent des réseaux kagome avec une variété de structures magnétiques, chacun avec sa topologie quantique individuelle. « Notre visualisation expérimentale de la limite quantique de la phase de Chern est une preuve de concept pour découvrir de nouveaux aimants topologiques », conclut Jia-Xin Yin.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
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