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Une avancée décisive pour les matériaux quantiques
Premier cristal quantique de Weyl semi-métallique
avril 4, 2025
par GDC staff
Une équipe internationale de chercheurs dirigée par le Laboratoire de transport quantique à forte corrélation du Centre RIKEN (Japon) pour les sciences émergentes de la matière (CEMS) a démontré, pour la première fois au monde, un semi-métal de Weyl idéal, marquant ainsi une avancée décisive dans un problème vieux de dix ans concernant les matériaux quantiques.
Ces travaux sont le fruit d’une collaboration de plus de quatre ans entre le CEMS, le programme interdisciplinaire de sciences théoriques et mathématiques (iTHEMS) du RIKEN, le centre d’électronique à phase quantique (QPEC) de l’université de Tokyo, l’institut de recherche sur les matériaux de l’université de Tohoku et l’université technologique de Nanyang à Singapour. Les chercheurs ont conçu un semi-métal de Weyl à partir d’un semi-conducteur topologique, en revisitant une stratégie qui avait été proposée pour la première fois en 2011, mais qui avait ensuite été abandonnée et largement oubliée par la communauté.
Les semi-conducteurs peuvent passer d’un état isolant à un état conducteur, formant ainsi la base du transistor commercial. Les semi-métaux peuvent être considérés comme une sorte de limite extrême d’un semi-conducteur avec un « gap 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 applications en physique du moiré et en électronique flexible.
Le semi-conducteur topologique utilisé ici est le tellurure de bismuth, Bi2Te3. Les chercheurs ont ajusté la composition chimique du matériau de manière hautement contrôlée, en remplaçant le bismuth par du chrome, créant ainsi le (Cr,Bi)2Te3.
Comme le souligne Ryota Watanabe, doctorant et co-premier auteur de l’étude, « nous avons d’abord été intrigués par le grand effet Hall anormal (AHE) dans le (Cr,Bi)2Te3, qui signalait une nouvelle physique au-delà de celle des semi-conducteurs topologiques ».
Ching-Kai Chiu, de l’iTHEMS et co-auteur de l’étude, a noté pour sa part que « contrairement aux matériaux de Weyl précédents, la structure électronique particulièrement simple du (Cr,Bi)2Te3 nous a permis d’expliquer quantitativement nos expériences à l’aide d’une théorie précise. Nous avons alors pu attribuer le grand effet Hall anormal aux fermions de Weyl émergents ».
Une application potentielle de ces matériaux concerne les dispositifs térahertz (THz). Les semi-conducteurs ne peuvent absorber que les photons dont l’énergie exclut généralement la gamme de fréquences THz. Selon Yuki Sato, chercheur postdoctoral et co-auteur des travaux, « contrairement aux semi-conducteurs, les semi-métaux peuvent d’absorber la lumière basse fréquence, jusqu’aux fréquences THz. Nous cherchons actuellement à appliquer notre semi-métal de Weyl idéal à la génération et à la détection de lumière THz ».
L’équipe prévoit en outre mener prochainement des recherches sur les capteurs haute performance, l’électronique basse consommation et les nouveaux dispositifs optoélectroniques.
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