Une équipe internationale de chercheurs dirigée par le laboratoire de transport quantique à forte corrélation du Centre RIKEN pour la science des matières émergentes (CEMS) a démontré, pour la première fois au monde, un semi-métal de Weyl idéal, marquant une percée dans un problème vieux de dix ans concernant les matériaux quantiques.
Les fermions de Weyl surviennent sous la forme d’excitations quantiques collectives d’électrons dans des cristaux. On prévoit qu’ils présenteront des propriétés électromagnétiques exotiques, suscitant un intense intérêt mondial.
Cependant, malgré l’étude minutieuse de milliers de cristaux, la plupart des matériaux de Weyl présentent à ce jour une conduction électrique régie en grande partie par des électrons triviaux et indésirables, obscurcissant les fermions de Weyl. Enfin, les chercheurs ont synthétisé un matériau contenant une seule paire de fermions de Weyl et aucun état électronique non pertinent.
Le travail, publié dans Natureest né d’une collaboration de quatre ans entre le CEMS, le programme interdisciplinaire de sciences théoriques et mathématiques RIKEN (iTHEMS), le Centre d’électronique en phase quantique (QPEC) de l’Université de Tokyo, l’Institut de recherche sur les matériaux de l’Université de Tohoku et Nanyang Technological Université de Singapour.
Les chercheurs ont conçu un semi-métal Weyl à partir d’un semi-conducteur topologique, revisitant une stratégie qui avait été théoriquement proposée pour la première fois en 2011, mais ensuite abandonnée et largement oubliée par la communauté.
Les semi-conducteurs ont un petit « espace énergétique » qui leur permet de passer d’un état isolant à un état conducteur, constituant ainsi la base du transistor commercial. Les semi-métaux peuvent être considérés comme une sorte de limite extrême d’un semi-conducteur avec un « écart énergétique » nul, juste au seuil entre l’isolant et le métal.
Ce cas extrême reste extrêmement rare dans les matériaux réels. L’exemple le plus connu est peut-être le graphène, qui a trouvé des utilisations dans la physique du moiré et l’électronique flexible.
Le semi-conducteur topologique utilisé dans la présente étude est le tellurure de bismuth, Bi2Te3. Les chercheurs ont ajusté la composition chimique du matériau de manière hautement contrôlée, en remplaçant le chrome par le bismuth, créant ainsi du (Cr,Bi)2Te3.
Selon Ryota Watanabe, Ph.D. étudiant et co-premier auteur de l’étude, « Nous avons d’abord été intrigués par le grand effet Hall anormal (AHE) dans (Cr,Bi)2Te3, qui signalait une nouvelle physique au-delà de celle des semi-conducteurs topologiques. »
Ching-Kai Chi d’iTHEMS et co-auteur de l’ouvrage, a noté que, « contrairement aux matériaux Weyl précédents, la structure électronique particulièrement simple de (Cr,Bi)2Te3 nous a permis d’expliquer quantitativement nos expériences en utilisant une théorie précise. Nous pourrions alors retracer le grand AHE jusqu’aux fermions de Weyl émergents.
Le premier auteur, Ilya Belopolski du CEMS, rappelle que cette découverte a été un choc pour lui-même et pour ses collègues du monde entier.
« Différentes communautés avaient déjà établi les connaissances théoriques et expérimentales clés nécessaires pour synthétiser ce semi-métal de Weyl. Mais il semble que nous ne communiquions pas les uns avec les autres, nous avons donc raté cette découverte. Rétrospectivement, cela aurait dû arriver il y a près d’une décennie. plus tôt. »
Quant à la raison pour laquelle cette idée a finalement émergé au RIKEN, Belopolski attribue la combinaison unique de chercheurs brillants, de financements de recherche généreux et d’atmosphère intellectuelle dynamique du CEMS.
« De nombreux groupes de recherche talentueux aux États-Unis, en Chine et dans toute l’Europe ont travaillé sur des sujets connexes pendant de nombreuses années. La raison pour laquelle cette découverte a eu lieu ici est probablement due à l’environnement hautement créatif et collaboratif de RIKEN. »
Une application potentielle concerne les appareils térahertz (THz). Les semi-conducteurs ne peuvent absorber que des photons dont l’énergie est supérieure à leur écart énergétique, ce qui exclut généralement la gamme de fréquences THz.
Selon Yuki Sato, chercheur postdoctoral et co-auteur de l’ouvrage, « contrairement aux semi-conducteurs, les semi-métaux ont un écart énergétique qui disparaît, ils peuvent donc absorber la lumière à basse fréquence, jusqu’aux fréquences THz. Nous sommes actuellement intéressés par l’application de notre semi-métal Weyl idéal à la génération et la détection de la lumière THz.
L’équipe prévoit en outre des recherches sur les capteurs hautes performances, l’électronique basse consommation et les nouveaux dispositifs optoélectroniques. Le chercheur postdoctoral Lixuan Tai, qui a rejoint le laboratoire de transport quantique à forte corrélation alors que ces travaux étaient sur le point de être publiés, a exprimé son enthousiasme quant aux recherches à court terme permises par cette nouvelle phase quantique de la matière.
« C’est un moment particulièrement excitant pour rejoindre cette équipe de recherche, car le fait de disposer d’un véritable semi-métal Weyl après toutes ces années permettra sûrement de nombreuses avancées passionnantes. »
Plus d’informations :
Ilya Belopolski et al, Synthèse d’un ferromagnétique de Weyl semi-métallique avec surface ponctuelle de Fermi, Nature (2025). DOI : 10.1038/s41586-024-08330-y