Le 20 septembre 2022
(Actualités Nanowerk) Comment trouvez-vous de nouveaux matériaux avec des propriétés très spécifiques - par exemple, des propriétés électroniques spéciales qui sont nécessaires pour les ordinateurs quantiques ? C'est généralement une tâche très compliquée : divers composés sont créés, dans lesquels des atomes potentiellement prometteurs sont disposés dans certaines structures cristallines, puis le matériau est examiné, par exemple dans le laboratoire à basse température de TU Wien. Aujourd'hui, une coopération entre l'Université Rice (Texas), la TU Wien et d'autres instituts de recherche internationaux a réussi à trouver des matériaux appropriés sur l'ordinateur. De nouvelles méthodes théoriques sont utilisées pour identifier des candidats particulièrement prometteurs parmi le grand nombre de matériaux possibles. Des mesures à la TU Wien ont alors montré : les matériaux ont bien les propriétés requises, la méthode fonctionne. C'est une avancée importante pour la recherche sur les matériaux quantiques. Le nouveau matériau : Ce2Au3In5. (Image : Université de technologie de Vienne) Les résultats ont maintenant été publiés dans la revue Physique de la nature ("Semi-métal topologique entraîné par de fortes corrélations et une symétrie cristalline").
Semi-métaux topologiques
La Rice University au Texas et la TU Wien ont déjà collaboré avec succès ces dernières années dans la recherche de nouveaux matériaux quantiques aux propriétés très particulières : en 2017, les deux groupes de recherche ont présenté le premier « semi-métal Weyl-Kondo » – un matériau qui pourraient potentiellement jouer un rôle important dans la recherche sur les technologies informatiques quantiques. "Les électrons d'un tel matériau ne peuvent pas être décrits individuellement", explique le professeur Silke Bühler-Paschen de l'Institut de physique du solide de la TU Wien. "Il y a des interactions très fortes entre ces électrons, ils interfèrent les uns avec les autres comme des ondes selon les lois de la physique quantique, et en même temps ils se repoussent à cause de leur charge électrique." C'est précisément cette forte interaction qui conduit aux excitations des électrons, qui ne peuvent être décrites qu'à l'aide de méthodes mathématiques très élaborées. Dans les matériaux actuellement étudiés, la topologie joue également un rôle important - c'est une branche des mathématiques qui traite des propriétés géométriques qui ne sont pas modifiées par une déformation continue, comme le nombre de trous dans un beignet, qui reste le même même si le le beignet est légèrement pressé. De la même manière, les états électroniques dans le matériau peuvent rester stables même si le matériau est légèrement perturbé. C'est précisément pourquoi ces états sont si utiles pour des applications pratiques telles que les ordinateurs quantiques.
Utilisation de l'ordinateur pour identifier les candidats potentiels
Il est impossible de calculer le comportement de tous les électrons en interaction forte dans le matériau - aucun supercalculateur au monde n'est capable de le faire. Mais sur la base des découvertes précédentes, il a maintenant été possible de développer un principe de conception qui utilise des calculs de modèles simplifiés combinés à des considérations de symétrie mathématique et à une base de données de matériaux connus pour fournir des suggestions quant à ceux de ces matériaux qui pourraient avoir les propriétés topologiques théoriquement attendues. "Cette méthode a fourni trois de ces candidats, et nous avons ensuite produit l'un de ces matériaux et l'avons mesuré dans notre laboratoire à basse température", explique Silke Bühler-Paschen. "Et en effet, ces premières mesures indiquent qu'il s'agit d'un semi-métal topologique hautement corrélé - le premier à être prédit sur une base théorique à l'aide d'un ordinateur." Une clé importante du succès était d'exploiter les symétries du système de manière intelligente : « Ce que nous avons postulé, c'est que les excitations fortement corrélées sont toujours soumises à des exigences de symétrie. Grâce à cela, je peux en dire long sur la topologie d'un système sans recourir à des calculs ab initio qui sont souvent nécessaires mais qui sont particulièrement difficiles pour étudier des matériaux fortement corrélés », explique Qimiao Si de l'Université Rice. "Tout indique que nous avons trouvé un moyen robuste d'identifier les matériaux qui ont les caractéristiques que nous voulons."
