De fortes interactions électroniques permettent d’activer et de désactiver l’état topologique


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  • Pour la première fois, des physiciens américains et européens ont trouvé un moyen d’activer et de désactiver l’état topologique d’un matériau quantique.

    Parce qu’ils sont extrêmement stables et ont des caractéristiques immuables qui ne peuvent pas être effacées ou perdues à cause de la décohérence quantique, les états topologiques jouent un rôle important dans la recherche sur les matériaux et l’informatique quantique. Dans une étude publiée dans Communication Naturedes chercheurs de l’Université Rice, de l’Université de technologie de Vienne en Autriche (TU Wien), du Laboratoire national de Los Alamos et de l’Université Radboud des Pays-Bas ont décrit leur méthode d’utilisation d’un champ magnétique pour activer et désactiver un état topologique dans un métal fortement corrélé.

    « Les propriétés topologiques se trouvent généralement dans les matériaux isolants avec de faibles corrélations électroniques », a déclaré Qimiao Si, co-auteur de l’étude Rice, membre de la Rice Quantum Initiative et directeur du Rice Center for Quantum Materials (RCQM). « Le matériau que nous étudions est métallique et est fortement corrélé. »

    Les matériaux quantiques fortement corrélés sont ceux où les interactions de milliards et de milliards d’électrons donnent lieu à des comportements collectifs comme la supraconductivité non conventionnelle ou des électrons qui se comportent comme s’ils avaient plus de 1 000 fois leur masse normale. Bien que les physiciens aient étudié les matériaux topologiques pendant des décennies, ils n’ont commencé que récemment à étudier les métaux topologiques qui hébergent des interactions fortement corrélées.

    Si, un physicien théoricien, a longtemps collaboré avec l’auteur correspondant de l’étude, Silke Bühler-Paschen à l’Institut de physique du solide de TU Wien. Les groupes de recherche de Si et Bühler-Paschen ont précédemment fait des découvertes notables sur les états topologiques dans des matériaux quantiques fortement corrélés. Fin 2017, le groupe théorique de Si a découvert un état topologique métallique causé par l’exemple par excellence de la physique à forte corrélation appelée effet Kondo, et le groupe expérimental de Bühler-Paschen a observé l’état dans un matériau composite composé de cérium, de bismuth et de palladium. Les deux équipes ont nommé l’état fortement corrélé de la matière un semi-métal de Weyl-Kondo.

    Dans la nouvelle étude, l’équipe de Bühler-Paschen a découvert que de petites impuretés ou des perturbations externes n’entraînaient pas de changement radical dans les propriétés topologiques du matériau, mais que l’application d’un champ magnétique externe à l’échelle du laboratoire le pouvait.

    « Les fortes corrélations électroniques rendent le semi-métal de Weyl-Kondo extrêmement sensible aux sondes externes telles qu’un champ magnétique », a déclaré Si, professeur de physique et d’astronomie Harry C. et Olga K. Wiess de Rice. « Les électrons ne subissent pas l’effet d’un champ magnétique externe individuellement. Au lieu de cela, ils s’organisent collectivement, ce qui amplifie considérablement la réponse des matériaux au champ magnétique externe. »

    Si a déclaré que la nature métallique de l’état topologique se prête à des moyens de contrôle polyvalents. Si a déclaré que le semi-métal de Weyl-Kondo a des porteurs de charge décrits par l’équation d’onde relativiste du physicien Hermann Weyl de 1929, qui dicte qu’ils se présentent en deux variétés avec une chiralité opposée. Comme les particules de matière et d’antimatière, les fermions de Weyl de chiralité opposée s’annihilent s’ils entrent en collision.

    Sans corrélations électroniques, il serait impossible de générer un champ magnétique suffisamment puissant pour pousser ensemble des fermions de Weyl de chiralité opposée, a déclaré Si. Mais de fortes corrélations dans le semi-métal de Weyl-Kondo ont permis à l’équipe de Bühler-Paschen d’utiliser un champ externe pour forcer les fermions de Weyl à s’annihiler les uns les autres, désactivant ainsi l’état topologique.

    « Vous pouvez même les faire disparaître complètement à un certain moment », a déclaré Bühler-Paschen. « Nous avons donc des propriétés stables et robustes que vous pouvez activer et désactiver de manière sélective. »

    Les états topologiques commutables pourraient éventuellement être utilisés pour la technologie des capteurs, a-t-elle déclaré.

    Si a déclaré que de fortes corrélations provoquent le couplage des fermions de Weyl avec le rayonnement dans la gamme des micro-ondes, ce qui est particulièrement important pour de nombreuses applications techniques. Il a déclaré que la technologie pourrait également être utilisée pour « des applications entièrement nouvelles et plus exotiques en électronique », y compris les ordinateurs quantiques.

    La recherche de l’étude à Rice a été soutenue par la National Science Foundation (2220603), l’Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0356) et la Welch Foundation (C-1411).

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Université du riz. Original écrit par Jade Boyd. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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