Des chercheurs du MIT montrent comment la topologie peut contribuer à créer du magnétisme à des températures plus élevées.

Les chercheurs qui ont travaillé pendant des années pour comprendre l’arrangement électronique, ou la topologie, et le magnétisme de certains métalloïdes ont été frustrés par le fait que les matériaux ne présentent pas de propriétés magnétiques à moins d’être refroidis à des températures de quelques degrés seulement supérieures. Zéro absolu.

nouveau Massachusetts Institute of Technology L’étude a été 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 Harvard, avec Thanh Nguyen et Phum Sirivipoon. , étudiants du MIT. Les diplômés travaillant dans le groupe de quantification remettent en question les idées reçues.

La recherche est en libre accès, récemment publiée dans la revue Communications naturellesPour la première fois, cela montre que la topologie peut stabiliser l’ordre magnétique, même bien au-dessus de la température de transition magnétique, point auquel le magnétisme s’effondre normalement.

« L’analogie que j’aime utiliser pour décrire pourquoi cela fonctionne est d’imaginer une rivière pleine de troncs d’arbres, qui représentent des moments magnétiques dans la matière », explique Drucker, premier auteur de l’article. « Pour que le magnétisme fonctionne, il faut que tous ces enregistrements pointent dans la même direction, ou aient un certain modèle. Mais à des températures élevées, les moments magnétiques sont tous pointés dans des directions différentes, comme s’il s’agissait de rondins dans une rivière, et le le magnétisme s’effondre.

Il poursuit : « Mais ce qui est important dans cette étude, c’est que c’est l’eau qui change réellement. » « 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, conduisant au magnétisme. »

Le rôle de la topologie dans l’amélioration du magnétisme

Essentiellement, dit Lee, la recherche révèle comment les structures topologiques connues sous le nom de nœuds de Weyl trouvées dans CeAlGe – un quasi-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. de possibilités. Un ensemble d’applications.

Bien qu’ils soient déjà utilisés pour construire des capteurs, des gyroscopes, etc., les matériaux topologiques ont été étudiés pour un large éventail d’applications supplémentaires, de la microélectronique aux dispositifs thermoélectriques et catalytiques. En montrant un moyen de maintenir le magnétisme à des températures beaucoup plus élevées, l’étude ouvre la porte à davantage de possibilités, explique Nguyen.

« Les gens ont montré de nombreuses opportunités – dans ce matériau et dans d’autres matériaux topologiques », dit-il. « Cela montre une méthode générale qui peut améliorer considérablement la température de travail de ces matériaux », ajoute Serivibone.

Ce résultat « surprenant et complètement contre-intuitif » aura un impact majeur sur les futurs travaux sur les matériaux topologiques, ajoute Linda Yee, professeur adjoint de physique au Département de physique, de mathématiques et d’astronomie de Caltech.

« La découverte de Drucker et de ses collaborateurs est intéressante 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 peuvent plus largement jouer un rôle dans la génération de fluctuations magnétiques. Un corollaire de ceci est que les effets des états topologiques de Weyl sur les matériaux peuvent s’étendre au-delà de beaucoup plus loin.  » qu’on ne le pensait auparavant.

université de Princeton Andrei Bernvig, professeur de physique, est du même avis, qualifiant les résultats de « déroutants et fascinants ».

« On sait que les nœuds Files sont topologiquement protégés, mais l’effet de cette protection sur les propriétés thermodynamiques d’une phase n’est pas bien compris », explique Andre Bernvig, 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 interférant entre les fermions de Weyl qui apparaissent dans ce système… suggérant que le blindage des nœuds de Weyl affecte d’une manière ou d’une autre le champ magnétique. fluctuations ! »

Percer le mystère magnétique

Bien que ces résultats surprenants remettent en question une compréhension de longue date du magnétisme et de la topologie, ils sont, selon Lee, le résultat d’expériences minutieuses 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 Lee. « Nous avons utilisé cinq méthodes expérimentales différentes et avons pu créer cette histoire globale de manière cohérente et assembler ce puzzle. »

Pour prouver l’existence du magnétisme à une température plus élevée, les chercheurs ont commencé par fusionner 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 le comportement magnétique inhabituel du matériau.

« Mais nous avons également utilisé 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 mener des expériences similaires dans trois laboratoires nationaux différents pour montrer que ce système caché était là, et c’est ainsi que nous avons trouvé les preuves les plus solides. »

Selon Nguyen, une partie du défi réside dans le fait que réaliser de telles expériences sur des matériaux topologiques est généralement très difficile et ne fournit généralement que des preuves indirectes.

« Dans ce cas, nous avons mené plusieurs expériences avec différents capteurs, et en les réunissant, cela nous a donné une histoire très complète », dit-il. « Dans ce cas, il existe cinq ou six éléments de preuve différents, ainsi qu’une longue liste d’outils et de mesures qui ont joué un rôle dans cette étude. »

Implications et orientations futures

À l’avenir, dit Lee, 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 que cela peut jouer un rôle dans l’augmentation de la conductivité, et nous avons maintenant montré qu’il peut jouer un rôle dans le magnétisme aussi. »

Lee affirme que d’autres travaux futurs porteront également sur les applications potentielles des matériaux topologiques, notamment leur utilisation dans des dispositifs thermoélectriques qui convertissent la chaleur en électricité. Bien que ces appareils aient déjà été utilisés pour alimenter de petits appareils, tels que des montres, ils ne sont pas encore suffisamment efficaces pour alimenter des téléphones portables ou d’autres appareils plus gros.

« Nous avons étudié beaucoup de bons matériaux thermoélectriques, et ce sont tous des matériaux topologiques », explique Lee. « S’ils peuvent démontrer cette performance avec le magnétisme, ils libéreront de très bonnes propriétés thermoélectriques. Par exemple, cela les aidera à fonctionner à des températures plus élevées. Actuellement, beaucoup d’entre eux ne fonctionnent qu’à des températures très basses pour collecter la chaleur perdue. Un résultat très naturel. Il en va de même pour leur capacité à fonctionner à des températures plus élevées.

Mieux comprendre les matériaux topologiques

En fin de compte, dit Drucker, la recherche souligne le fait que, bien que les métalloïdes topologiques soient 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 thermiques, électriques et magnétiques importantes commencent à émerger. » Il 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 les effets des fluctuations thermiques. »

Référence : « Fluctuations topologiques stables dans un quasi-nodal magnétique » par Nathan C. Drucker, Thanh Nguyen, Fei Hanh, Phum Cerevipon, Xi Le, Nina Andrejevic, Ximing Zhu, Gregory Bednik, Quynh Thi. Nguyen, Zhantao Chen, Linh K. Nguyen, Tongtong Liu, Travis J. Williams, Matthieu B. Pierre, Alexandre Ier. Kolesnikov, Song Xiuqi, Jaime Fernández Baca, Christy S. Nelson, Ahmed Alatas, Tom Hogan, Alexander A. Boritsky, Xingxi Huang, Yu Yu et Mingda Li, 25 août 2023, Communications naturelles.
est ce que je: 10.1038/s41467-023-40765-1

Ce travail a été soutenu par un financement du Département américain de l’énergie, de l’Office of Science, Basic Energy Sciences ; La National Science Foundation (NSF) conçoit des matériaux pour révolutionner nos futurs logiciels et ingénierie ; et un prix NSF Convergence Accelerator.