Des chercheurs du MIT montrent comment la topologie peut aider les matériaux à produire du magnétisme à des températures plus élevées. Pendant des années, les chercheurs ont travaillé pour comprendre la disposition électronique, ou topologie, et le magnétisme de certains semi-métaux, mais malheureusement, ces matériaux n'affichent leur magnétisme que lorsqu'ils sont refroidis à quelques degrés au-dessus du zéro absolu.
Une nouvelle étude dirigée par Mingda Li, professeur agrégé au Département des sciences et de l'ingénierie nucléaires du MIT, et co-écrite par Nathan Drucker, chercheur assistant diplômé du MIT Quantum Measurement Group et doctorant en physique appliquée à l'Université Harvard, et Thanh Nguyen et Phum Siriviboon, étudiants diplômés du MIT Quantum Measurement Group, remet en question cette vision traditionnelle.
La recherche, publiée dans la revue Nature Communications, est la première à démontrer que la topologie peut stabiliser l'ordre magnétique même bien au-dessus de la température de transition magnétique - le point auquel le magnétisme se décompose normalement.
"Une analogie que j'aime utiliser pour décrire pourquoi cela fonctionne consiste à imaginer une rivière pleine de bûches, et les bûches représentent les moments magnétiques dans le matériau", a déclaré Drucker, l'auteur principal de l'article. "Pour que le magnétisme fonctionne, il faut que toutes ces bûches pointent dans la même direction, ou dans une certaine configuration entre elles. Mais à des températures élevées, où les moments magnétiques pointent tous dans des directions différentes, comme les bûches dans une rivière, le magnétisme se brise."
Il poursuit : "Mais ce qui est important dans cette étude, c'est que c'est en réalité l'eau qui change. 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 l'interaction entre les bûches pour créer du magnétisme."
Le rôle de la topologie dans l’amélioration du magnétisme
Essentiellement, a déclaré Li, l'article révèle comment une topologie connue sous le nom de nœud de Weyl trouvée dans CeAlGe, un semi-métal exotique composé de cérium, d'aluminium et de germanium, peut augmenter considérablement la température de fonctionnement des dispositifs magnétiques, ouvrant ainsi la porte à un large éventail d'applications.
Bien que les matériaux topologiques aient été utilisés pour fabriquer des capteurs, des gyroscopes, etc., ils sont également largement utilisés dans des domaines tels que la microélectronique, la thermoélectrique et les dispositifs catalytiques. Nguyen a déclaré que cette étude montre un moyen de maintenir le magnétisme à des températures plus élevées, ouvrant ainsi la porte à davantage de possibilités. De nombreuses opportunités ont été démontrées dans ce matériau et dans d’autres matériaux topologiques. Cela démontre une approche générale qui peut augmenter considérablement les températures de fonctionnement de ces matériaux.
Linda Ye, professeur adjoint de physique à la Division de physique, de mathématiques et d'astronomie de Caltech, a ajouté que ce résultat "plutôt surprenant et contre-intuitif" aura un impact significatif sur les futurs travaux sur les matériaux topologiques.
Les travaux de recherche montrent que les nœuds topologiques électroniques jouent non seulement un rôle dans la stabilisation de l’ordre magnétique statique, mais qu’ils peuvent plus généralement jouer un rôle dans la génération de fluctuations magnétiques. Une conclusion naturelle à en tirer est que l’impact des états topologiques du puits sur les matériaux pourrait être bien plus important qu’on ne le pensait auparavant.
Andre Bonnevig, professeur de physique à l'Université de Princeton, est d'accord, qualifiant la découverte de "déroutante et tout à fait remarquable. On sait que les nœuds de Weyls sont topologiquement protégés, mais l'impact de cette protection sur les propriétés thermodynamiques de la phase n'est pas tout à fait clair. L'article de l'équipe du MIT montre que l'ordre à courte portée au-dessus de la température d'ordre est régi par des vecteurs d'ondes imbriqués entre les fermions de Weyl qui apparaissent dans le système... Cela peut indiquer que la protection des nœuds de Weyls affecte dans une certaine mesure les fluctuations magnétiques !"
Percer le mystère du magnétisme
Bien que ces résultats surprenants remettent en question les connaissances de longue date sur le magnétisme et la topologie, ils sont le résultat d'expériences minutieuses et de la volonté de l'équipe de recherche d'explorer des domaines qui auraient pu être négligés.
"Notre hypothèse est qu'il n'y a pas de nouvelles découvertes au-dessus de la température de transition magnétique", explique Li. "Nous avons utilisé cinq méthodes expérimentales différentes pour créer cette histoire complète et reconstituer le puzzle de manière cohérente."
Pour démontrer l’existence du magnétisme à des températures plus élevées, les chercheurs ont d’abord combiné du cérium, de l’aluminium et du germanium dans un four pour former des cristaux de matériau de taille millimétrique. Les échantillons ont ensuite été soumis à une série de tests, notamment des tests de conductivité thermique et électrique, chacun révélant des indices sur le comportement magnétique inhabituel du matériau.
"Cependant, nous avons également utilisé des méthodes plus exotiques pour tester le matériau", a déclaré Drucker. "Nous avons frappé le matériau avec un faisceau de rayons X au même niveau d'énergie que le cérium présent dans le matériau, puis avons mesuré la manière dont le faisceau était diffusé. Ces tests ont dû être effectués dans une grande installation d'un laboratoire national du ministère de l'Énergie. En fin de compte, nous avons dû faire des expériences similaires dans trois laboratoires nationaux différents pour prouver qu'il y avait cet ordre caché là-bas, et c'est ainsi que nous avons trouvé les preuves les plus solides. "
"Une partie du défi réside dans le fait qu'il est souvent très difficile de réaliser ce type d'expériences sur des matériaux topologiques, et que l'on ne peut souvent fournir que des preuves indirectes", a déclaré Nguyen. "Ce que vous faites dans ce cas, c'est faire plusieurs expériences avec différentes sondes, et lorsque vous les rassemblez, elles nous donnent une histoire très complète. Dans ce cas, il y avait cinq ou six indices différents, et tout un tas d'instruments et de mesures qui ont tous joué un rôle dans cette étude."
Impact et orientations futures
À l’avenir, l’équipe prévoit d’explorer si la relation entre la topologie et le magnétisme peut être démontrée dans d’autres matériaux. Ils croient que ce principe est universel. Par conséquent, cela peut exister dans de nombreux autres matériaux, ce qui élargit notre compréhension du rôle de la topologie. Nous savions qu'il pouvait jouer un rôle dans l'augmentation de la conductivité électrique, et nous avons maintenant montré qu'il pouvait également jouer un rôle dans le magnétisme.
D'autres travaux futurs porteront également sur les applications possibles des matériaux topologiques, notamment leur utilisation dans des dispositifs thermoélectriques, capables de convertir la chaleur en électricité. Bien que de tels appareils soient déjà utilisés pour alimenter de petits appareils comme les montres, ils ne sont pas suffisamment efficaces pour alimenter des téléphones portables ou d’autres appareils plus gros.
"Nous avons étudié de nombreux excellents matériaux thermoélectriques, et ce sont tous des matériaux topologiques", a déclaré Li. "S'ils pouvaient démontrer cette performance en utilisant le magnétisme... ils libéreraient de très bonnes propriétés thermoélectriques. Cela les aiderait à fonctionner à des températures plus élevées, par exemple. À l'heure actuelle, de nombreuses cellules solaires ne peuvent fonctionner qu'à des températures très basses pour collecter la chaleur perdue. Une conséquence très naturelle est qu'elles pourront fonctionner à des températures plus élevées."
Cette étude montre de manière concluante que, même si les matériaux semi-métalliques topologiques sont étudiés depuis de nombreuses années, leurs propriétés sont relativement peu connues.
"Je pense que nos travaux mettent en évidence le fait que lorsque vous examinez ces différentes échelles et utilisez différentes expériences pour étudier certains de ces matériaux, certaines propriétés thermoélectriques, électriques et magnétiques très importantes commencent à apparaître", a déclaré Drucker. "Je pense donc que cela constitue un suivi non seulement sur la manière dont nous pouvons utiliser ces éléments pour différentes applications, mais également sur d'autres recherches fondamentales sur la manière dont nous pouvons mieux comprendre les effets de ces fluctuations thermiques."