Une étude ouvre une fenêtre sur le paysage de la matière topologique extrême –

La découverte par des chercheurs de l’Université Rice, de l’Université de technologie de Vienne en Autriche (TU Wien), de l’Institut Paul Scherrer de Suisse et de l’Université McMaster du Canada est détaillée dans un article publié dans les Actes de l’Académie nationale des sciences. Il est intéressant de noter à la fois les origines de l’effet, qui est généralement associé au magnétisme, et sa magnitude gigantesque – plus de 1000 fois plus grande que ce que l’on pourrait observer dans de simples semi-conducteurs.

Le co-auteur de l’étude Rice Qimiao Si, un physicien théoricien qui a étudié les matériaux quantiques pendant près de trois décennies, a déclaré: “C’est vraiment la topologie à l’œuvre”, se référant aux modèles d’intrication quantique qui donnent naissance à l’état peu orthodoxe.

Le matériau, un semi-métal exotique de cérium, de bismuth et de palladium, a été créé et mesuré à TU Wien par Silke Bühler-Paschen, collaboratrice de longue date de Si’s. Fin 2017, Si, Bühler-Paschen et ses collègues ont découvert un nouveau type de matériau quantique qu’ils ont surnommé un «semi-métal Weyl-Kondo». La recherche a jeté les bases d’enquêtes empiriques, mais Si a déclaré que les expériences étaient difficiles, en partie parce qu’il n’était pas clair “quelle quantité physique capterait l’effet”.

En avril 2018, Sami Dzsaber, premier auteur de l’étude, étudiant diplômé de Bühler-Paschen et de la TU Wien, s’est rendu au bureau de Si alors qu’il participait à un atelier au Rice Center for Quantum Materials (RCQM). Quand Si a vu les données de Dzsaber, il était dubitatif.

“En voyant cela, la première réaction de tout le monde est que ce n’est pas possible”, a-t-il déclaré.

Pour comprendre pourquoi, il est utile de comprendre à la fois la nature et la découverte de 1879 d’Edwin Hall, un doctorant qui a découvert que l’application d’un champ magnétique à un angle de 90 degrés sur un fil conducteur produisait une différence de tension à travers le fil, dans la direction perpendiculaire au courant et au champ magnétique. Les physiciens ont finalement découvert la source de l’effet Hall: le champ magnétique dévie le mouvement des électrons qui passent, les tirant vers un côté du fil. L’effet Hall est un outil standard dans les laboratoires de physique, et les appareils qui l’utilisent se retrouvent dans des produits aussi divers que les moteurs de fusée et les pistolets de paintball. Des études liées à la nature quantique de l’effet Hall ont remporté des prix Nobel en 1985 et 1998.

Les données expérimentales de Dzsaber ont clairement montré un signal Hall caractéristique, même si aucun champ magnétique n’a été appliqué.

“Si vous n’appliquez pas de champ magnétique, l’électron n’est pas censé se plier”, a déclaré Si. “Alors, comment pourriez-vous obtenir une chute de tension le long de la direction perpendiculaire? C’est pourquoi tout le monde n’y croyait pas au début.”

Des expériences menées à l’Institut Paul Scherrer ont exclu la présence d’un minuscule champ magnétique qui ne pouvait être détecté qu’à l’échelle microscopique. La question restait donc: qu’est-ce qui a causé l’effet?

“En fin de compte, nous avons tous dû accepter que cela était lié à la topologie”, a déclaré Si.

Dans les matériaux topologiques, les modèles d’intrication quantique produisent des états «protégés», des caractéristiques universelles qui ne peuvent pas être effacées. La nature immuable des états topologiques est d’un intérêt croissant pour l’informatique quantique. Les semi-métaux de Weyl, qui manifestent une quasi-particule connue sous le nom de fermion de Weyl, sont des matériaux topologiques.

Il en va de même pour les semi-métaux Weyl-Kondo Si, Bühler-Paschen et ses collègues ont été découverts en 2018. Ceux-ci présentent à la fois des fermions de Weyl et l’effet Kondo, une interaction entre les moments magnétiques des électrons attachés aux atomes à l’intérieur du métal et les spins des électrons de conduction qui passent.

«L’effet Kondo est la forme par excellence de fortes corrélations dans les matériaux quantiques», a déclaré Si en référence au comportement collectif corrélé de milliards sur des milliards de particules intriquées quantiques. «Cela qualifie le semi-métal de Weyl-Kondo comme l’un des rares exemples d’état topologique motivé par de fortes corrélations.

«La topologie est une caractéristique déterminante du semi-métal de Weyl-Kondo, et la découverte de cet effet Hall géant spontané est vraiment la première détection de topologie associée à ce type de fermion de Weyl», a déclaré Si.

Des expériences ont montré que l’effet se produisait à la température caractéristique associée à l’effet Kondo, indiquant que les deux sont probablement connectés, a déclaré Si.

“Ce type d’effet Hall spontané a également été observé dans des expériences contemporaines sur certains semi-conducteurs en couches, mais notre effet est plus de 1000 fois plus important”, a-t-il déclaré. “Nous avons pu montrer que l’effet géant observé est en fait naturel lorsque l’état topologique se développe à partir de fortes corrélations.”

Si dit que la nouvelle observation est probablement “une pointe de l’iceberg” des réponses extrêmes qui résultent de l’interaction entre les corrélations fortes et la topologie.

Il a déclaré que la taille de l’effet Hall généré topologiquement est également susceptible de stimuler les enquêtes sur les utilisations potentielles de la technologie pour le calcul quantique.

“Cette grande magnitude et sa nature robuste et massive présentent des possibilités intéressantes pour l’exploitation dans des dispositifs quantiques topologiques”, a déclaré Si.

Si est professeur Harry C. et Olga K. Wiess au Département de physique et d’astronomie de Rice et directeur du RCQM. Bühler-Paschen est professeur à l’Institut de physique du solide de la TU Wien.