Les spectroscopies de rayons X et de neutrons de pointe révèlent que la présence de singularités topologiques dans le cristal d’un matériau topologique stabilise le magnétisme bien au-dessus de la température de transition classique. Crédit : Ella Maru Studio
Des chercheurs du MIT montrent comment la topologie peut contribuer à créer du magnétisme à des températures plus élevées.
Les chercheurs qui travaillent depuis des années pour comprendre l’arrangement électronique, ou topologie, et le magnétisme de certains semi-métaux, ont été frustrés par le fait que les matériaux ne présentent des propriétés magnétiques que s’ils sont refroidis à quelques degrés au-dessus. zéro absolu.
Un nouveau MIT étude dirigée par Mingda Li, professeur agrégé de sciences et d’ingénierie nucléaires, et co-écrite par Nathan Drucker, assistant de recherche diplômé au sein du Quantum Measurement Group du MIT et doctorant en physique appliquée à l’Université Harvard, avec Thanh Nguyen et Phum Siriviboon, MIT étudiants diplômés travaillant au sein du groupe de mesure quantique, remet en question cette idée reçue.
La recherche en libre accès, publiée récemment dans la revue Communications naturellesmontre pour la première fois que la topologie peut stabiliser l’ordre magnétique, même bien au-dessus de la température de transition magnétique – le point auquel le magnétisme se décompose normalement.
« L’analogie que j’aime utiliser pour décrire pourquoi cela fonctionne est d’imaginer une rivière remplie de bûches, qui représentent les moments magnétiques dans le matériau », explique Drucker, qui a été le premier auteur de l’article. «Pour que le magnétisme fonctionne, vous avez besoin que tous ces journaux pointent dans la même direction ou présentent un certain modèle. Mais à des températures élevées, les moments magnétiques sont tous orientés dans des directions différentes, comme le seraient les bûches dans une rivière, et le magnétisme se brise.
« Mais ce qui est important dans cette étude, c’est que c’est réellement l’eau qui change », poursuit-il. « Ce que nous avons montré, c’est que si vous modifiez les propriétés de l’eau elle-même, plutôt que celles des bûches, vous pouvez modifier la façon dont les bûches interagissent les unes avec les autres, ce qui entraîne un magnétisme. »
Le rôle de la topologie dans le magnétisme amélioré
Essentiellement, dit Li, l’article révèle comment les structures topologiques connues sous le nom de nœuds de Weyl trouvées dans CeAlGe – un semi-métal exotique composé de cérium, d’aluminium et de germanium – peuvent augmenter considérablement la température de fonctionnement des dispositifs magnétiques, ouvrant ainsi la porte à un large éventail de possibilités. gamme d’applications.
Bien qu’ils soient déjà utilisés pour construire des capteurs, des gyroscopes et bien plus encore, les matériaux topologiques sont envisagés pour un large éventail d’applications supplémentaires, de la microélectronique aux dispositifs thermoélectriques et catalytiques. En démontrant une méthode permettant de maintenir le magnétisme à des températures nettement plus élevées, l’étude ouvre la porte à encore plus de possibilités, explique Nguyen.
« Il y a tellement d’opportunités que les gens ont démontrées – dans ce matériau et dans d’autres matériaux topologiques », dit-il. « Cela montre une manière générale qui peut améliorer considérablement la température de travail de ces matériaux », ajoute Siriviboon.
Ce résultat « assez surprenant et contre-intuitif » aura un impact substantiel sur les futurs travaux sur les matériaux topologiques, ajoute Linda Ye, professeur adjoint de physique à la Division de physique, de mathématiques et d’astronomie de Caltech.
« La découverte de Drucker et de ses collaborateurs est intrigante et importante », déclare Ye, qui n’a pas participé à la recherche. « Leurs travaux suggèrent que les nœuds topologiques électroniques jouent non seulement un rôle dans la stabilisation des ordres magnétiques statiques, mais qu’ils peuvent plus largement jouer un rôle dans la génération de fluctuations magnétiques. Une implication naturelle de ceci est que les influences des états topologiques de Weyl sur les matériaux peuvent s’étendre bien au-delà de ce que l’on croyait auparavant.
université de Princeton Le professeur de physique Andrei Bernevig est du même avis, qualifiant les découvertes de « déroutantes et remarquables ».
« On sait que les nœuds de Weyls sont topologiquement protégés, mais l’influence de cette protection sur les propriétés thermodynamiques d’une phase n’est pas bien comprise », explique Andrei Bernevig, qui n’a pas participé aux travaux. « L’article du groupe du MIT montre que l’ordre à courte portée, au-dessus de la température d’ordre, est régi par un vecteur d’onde imbriqué entre les fermions de Weyl qui apparaissent dans ce système… suggérant peut-être que la protection des nœuds de Weyl influence d’une manière ou d’une autre les fluctuations magnétiques ! »
Percer le mystère magnétique
Bien que ces résultats surprenants remettent en question la compréhension de longue date du magnétisme et de la topologie, ils sont le résultat, selon Li, d’une expérimentation minutieuse et de la volonté de l’équipe d’explorer des domaines qui autrement pourraient être négligés.
« L’hypothèse était qu’il n’y avait rien de nouveau à découvrir au-dessus de la température de transition magnétique », explique Li. « Nous avons utilisé cinq approches expérimentales différentes et avons pu créer cette histoire complète de manière cohérente et assembler ce puzzle. »
Pour démontrer la présence de magnétisme à des températures plus élevées, les chercheurs ont commencé par combiner du cérium, de l’aluminium et du germanium dans un four pour former des cristaux de matériau de taille millimétrique.
Ces échantillons ont ensuite été soumis à une batterie de tests, notamment des tests de conductivité thermique et électrique, chacun révélant un indice sur le comportement magnétique inhabituel du matériau.
« Mais nous avons également adopté des méthodes plus exotiques pour tester ce matériau », explique Drucker. « Nous avons frappé le matériau avec un faisceau de rayons X calibré au même niveau d’énergie que le cérium présent dans le matériau, puis nous avons mesuré la diffusion de ce faisceau.
« Ces tests devaient être effectués dans une très grande installation, dans un laboratoire national du ministère de l’Énergie », poursuit-il. « En fin de compte, nous avons dû faire des expériences similaires dans trois laboratoires nationaux différents pour montrer qu’il existe cet ordre caché, et c’est ainsi que nous avons trouvé les preuves les plus solides. »
Selon Nguyen, une partie du défi réside dans le fait que mener de telles expériences sur des matériaux topologiques est généralement très difficile à réaliser et ne fournit généralement que des preuves indirectes.
« Dans ce cas, nous avons mené plusieurs expériences en utilisant différentes sondes, et en les mettant toutes ensemble, cela nous donne une histoire très complète », dit-il. « Dans ce cas, ce sont cinq ou six indices différents et une longue liste d’instruments et de mesures qui ont joué dans cette étude. »
Implications et orientations futures
À l’avenir, dit Li, l’équipe prévoit d’explorer si la relation entre la topologie et le magnétisme peut être démontrée dans d’autres matériaux.
« Nous pensons que ce principe est général », dit-il. « Nous pensons donc que cela pourrait être présent dans de nombreux autres matériaux, ce qui est passionnant car cela élargit notre compréhension de ce que la topologie peut faire. Nous savons qu’il peut jouer un rôle dans l’augmentation de la conductivité, et nous avons maintenant démontré qu’il peut également jouer un rôle dans le magnétisme.
Selon Li, d’autres travaux futurs porteront également sur les applications possibles des matériaux topologiques, notamment leur utilisation dans des dispositifs thermoélectriques qui convertissent la chaleur en électricité. Bien que de tels appareils aient déjà été utilisés pour alimenter de petits appareils, comme des montres, ils ne sont pas encore suffisamment efficaces pour alimenter des téléphones portables ou d’autres appareils plus gros.
« Nous avons étudié de nombreux bons matériaux thermoélectriques, et ce sont tous des matériaux topologiques », explique Li. « S’ils peuvent démontrer cette performance avec le magnétisme… ils débloqueront de très bonnes propriétés thermoélectriques. Par exemple, cela les aidera à fonctionner à une température plus élevée. À l’heure actuelle, beaucoup ne fonctionnent qu’à des températures très basses pour récupérer la chaleur perdue. Une conséquence très naturelle de cela serait leur capacité à travailler à des températures plus élevées. »
Mieux comprendre les matériaux topologiques
En fin de compte, dit Drucker, la recherche souligne le fait que, même si les semi-métaux topologiques sont étudiés depuis plusieurs années, leurs propriétés sont relativement peu connues.
« Je pense que notre travail met en évidence le fait que, lorsque vous examinez ces différentes échelles et utilisez différentes expériences pour étudier certains de ces matériaux, certaines de ces propriétés thermoélectriques, électriques et magnétiques vraiment importantes commencent à émerger », a déclaré Drucker. dit. « Donc, je pense que cela donne également une indication non seulement sur la façon dont nous pouvons utiliser ces éléments pour différentes applications, mais également sur d’autres études fondamentales pour suivre la manière dont nous pouvons mieux comprendre ces effets des fluctuations thermiques. »
Ce travail a été soutenu par un financement du Département américain de l’énergie, de l’Office of Science, Basic Energy Sciences ; le programme Concevoir des matériaux pour révolutionner et concevoir notre avenir de la National Science Foundation (NSF) ; et un prix NSF Convergence Accelerator.
