Trouver les bons ingrédients pour créer des matériaux aux propriétés quantiques exotiques a été une chimère pour les scientifiques expérimentaux, en raison des combinaisons possibles infinies de différents éléments à synthétiser.
Désormais, la création de tels matériaux pourrait se dérouler de manière moins aveugle grâce à une collaboration internationale menée par Andrei Bernevig, professeur invité Ikerbasque au Donostia International Physics Center (DIPC) et professeur à l’Université de Princeton, et Nicolas Regnault, de l’Université de Princeton. et l’Ecole Normale Supérieure Paris, CNRS, avec la participation de Luis Elcoro de l’Université du Pays Basque (UPV/EHU).
L’équipe a mené une recherche systématique de candidats potentiels dans une énorme botte de foin de 55 000 matériaux. Le processus d’élimination a commencé par l’identification des matériaux dits à bande plate, c’est-à-dire des états électroniques à énergie cinétique constante. Par conséquent, dans une bande plate, le comportement des électrons est principalement régi par les interactions avec d’autres électrons. Cependant, les chercheurs ont réalisé que la planéité n’est pas la seule exigence, car lorsque les électrons sont trop étroitement liés aux atomes, même dans une bande plate, ils ne sont pas capables de se déplacer et de créer des états intéressants de la matière. « Vous voulez que les électrons se voient, ce que vous pouvez réaliser en vous assurant qu’ils sont étendus dans l’espace. C’est exactement ce que les bandes topologiques apportent à la table », explique Nicolas Regnault.
La topologie joue un rôle crucial dans la physique moderne de la matière condensée, comme le suggèrent les trois prix Nobel en 1985, 1997 et 2016. Elle impose l’extension de certaines fonctions d’onde quantiques, les rendant insensibles aux perturbations locales telles que les impuretés. Il peut imposer certaines propriétés physiques, comme une résistance, à quantifier ou conduire à des états de surface parfaitement conducteurs.
Heureusement, l’équipe a été à l’avant-garde de la caractérisation des propriétés topologiques des bandes grâce à leur approche connue sous le nom de « chimie quantique topologique », leur donnant ainsi une vaste base de données de matériaux, ainsi que les outils théoriques pour rechercher des bandes plates topologiques.
En utilisant des outils allant des méthodes analytiques aux recherches par force brute, l’équipe a trouvé tous les matériaux à bande plate actuellement connus dans la nature. Ce catalogue de matériaux de bande plate est disponible en ligne avec son propre moteur de recherche. « La communauté peut désormais rechercher des bandes topologiques plates dans les matériaux. Nous avons trouvé, sur 55 000 matériaux, environ 700 présentant ce qui pourrait être des bandes plates potentiellement intéressantes », déclare Yuanfeng Xu, de l’Université de Princeton et de l’Institut Max Planck de physique des microstructures, l’un des deux auteurs principaux de l’étude. « Nous nous sommes assurés que les matériaux que nous promouvons sont des candidats prometteurs pour la synthèse chimique », souligne Leslie Schoop du département de chimie de Princeton. L’équipe a ensuite classifié les propriétés topologiques de ces bandes, découvrant quel type d’électrons délocalisés elles hébergent.
Maintenant que ce vaste catalogue est terminé, l’équipe va commencer à cultiver les matériaux prédits pour découvrir expérimentalement la myriade potentielle de nouveaux états d’interaction. « Maintenant que nous savons où chercher, nous devons faire pousser ces matériaux », déclare Claudia Felser de l’Institut Max Planck de physique chimique des solides. « Nous avons une équipe de rêve d’expérimentateurs qui travaillent avec nous. Ils sont impatients de mesurer les propriétés physiques de ces candidats et de voir quels phénomènes quantiques passionnants émergeront. »
Le catalogue des bandes plates, publié en Nature le 30 mars 2022, marque la fin d’années de recherche par l’équipe. « De nombreuses personnes et de nombreuses institutions subventionnaires et universités auxquelles nous avons présenté le projet ont dit que c’était trop difficile et que cela ne pourrait jamais être fait. Cela nous a pris quelques années, mais nous l’avons fait », a déclaré Andrei Bernevig.
La publication de ce catalogue réduira non seulement la sérendipité dans la recherche de nouveaux matériaux, mais elle permettra également de vastes recherches de composés aux propriétés exotiques, telles que le magnétisme et la supraconductivité, avec des applications dans les dispositifs de mémoire ou dans le transport sans dissipation à longue distance de Puissance.
Nicolas Regnault et al, Catalogue des matériaux stoechiométriques à bande plate, Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04519-1