L’interaction entre la topologie et le magnétisme est promise à un bel avenir

Les matériaux topologiques magnétiques représentent une classe de composés dont les propriétés sont fortement influencées par la topologie des fonctions d’onde électroniques couplée à leur configuration de spin. La topologie est un concept simple traitant des surfaces des objets. La topologie d’une structure mathématique est identique si elle est conservée sous déformation continue. Une crêpe a la même topologie qu’un cube, un beignet qu’une tasse à café et un bretzel qu’une planche à trois trous. L’ajout de spin offre une structure supplémentaire – un nouveau degré de liberté – pour la réalisation de nouveaux états de la matière qui ne sont pas connus dans les matériaux non magnétiques. Les matériaux topologiques magnétiques peuvent supporter des canaux chiraux d’électrons et de spins, et peuvent être utilisés pour un éventail d’applications allant du stockage d’informations, du contrôle du spin sans dissipation et du transport de charge, aux réponses géantes sous des stimuli externes tels que la température et la lumière.

La revue résume les progrès théoriques et expérimentaux réalisés dans le domaine des matériaux topologiques magnétiques en commençant par la prédiction théorique de l’effet Hall anormal quantique sans niveaux Landau, et menant aux découvertes récentes de semi-métaux magnétiques de Weyl et d’isolants topologiques antiferromagnétiques. Les progrès théoriques récents qui ont abouti à la tabulation de toutes les représentations et de la topologie des groupes de symétrie magnétique sont décrits. En conséquence, tous les matériaux magnétiques connus – y compris les découvertes futures – peuvent être entièrement caractérisés par leurs propriétés topologiques. L’identification des matériaux pour une application technologique spécifique (par exemple Quantum Anomalous Hall) est simple. En utilisant cette approche, les matériaux topologiques magnétiques avec des températures de transition magnétique supérieures à la température ambiante peuvent être identifiés ou, si nécessaire, conçus pour des applications classiques telles que les dispositifs thermoélectriques, les capteurs Hall ou les catalyseurs efficaces, mais ils sont également utiles pour les applications quantiques à basses températures, y compris l’informatique et la détection. .

Andrei Bernevig commente que “La réalisation du QAHE à température ambiante serait révolutionnaire, surmontant les limitations de nombreuses technologies basées sur les données, qui sont affectées par les pertes de puissance du chauffage Joule”, et son collègue Stuart Parkin, Max PIanck Institute of Microstructure Physics, Halle, en Allemagne, “peut imaginer comment les nouvelles propriétés de cette nouvelle classe de matériaux magnétiques peuvent ouvrir la voie à de nouvelles générations de dispositifs électroniques et spintroniques quantiques à faible consommation d’énergie et même de nouveaux dispositifs spintroniques supraconducteurs”. Claudia Felser, MPI CPfS est très enthousiaste quant à leurs applications potentielles en chimie. Elle dit “si nous pouvons concevoir un catalyseur magnétique pour la séparation de l’eau, nous pourrions être en mesure de modifier les propriétés catalytiques avec un champ externe, ce qui nous permettrait d’activer et de désactiver la catalyse.” Pour Haim Beidenkopf, l’ordinateur quantique est peut-être la direction la plus excitante de la science aujourd’hui : “La conception d’un matériau qui présente une anomalie Hall quantique à haute température via le confinement quantique d’un semi-métal magnétique de Weyl, et son intégration dans des dispositifs quantiques est mon objectif principal. pour le futur.” Le domaine des matériaux topologiques magnétiques a clairement et aura un impact à la fois dans le monde scientifique et technologique.

Source de l’histoire :

Matériaux fourni par Institut Max Planck de physique chimique des solides. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

Référence de la revue:

1. B. Andrei Bernevig, Claudia Felser, Haim Beidenkopf. Progrès et perspectives dans les matériaux topologiques magnétiques. Nature, 2022 ; 603 (7899) : 41 DOI : 10.1038/s41586-021-04105-x