Le semi-métal Weyl largement accepté s’est révélé être un semi-conducteur magnétique

Les semi-métaux Weyl sont très recherchés par les scientifiques des matériaux. Prédits pour la première fois au début des années 2010, ils appartiennent à la classe des matériaux topologiques qui doivent leur comportement de transport, optique et thermoélectrique unique à des caractéristiques géométriques et topologiques distinctes, plutôt qu’à leur composition chimique. Ce qui distingue les semi-métaux de Weyl, c’est que leurs électrons se comportent comme s’ils n’avaient pas de masse en raison de la présence de nœuds dans la structure de la bande électronique, ce qui conduit à des propriétés inhabituelles et intéressantes.

Les scientifiques recherchent depuis un certain temps déjà des exemples concrets de ces matériaux. Parmi ceux-ci se trouve – ou mieux, il y avait – un composé d’europium, de cadmium et d’arsenic, EuCd.₂Comme₂que des études informatiques basées sur les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) ainsi que plusieurs études expérimentales avaient décrit comme un semi-métal de Weyl magnétique.

“La raison de cet engouement était que, selon les calculs, il devrait être possible de manipuler les propriétés topologiques de ce matériau à l’aide d’un petit champ magnétique”, explique Ana Akrap, membre du Centre national de recherche NCCR MARVEL et professeur à l’Université de Fribourg.

“L’idée est que vous avez deux bandes (dans le matériau) et que rien de spécial ne se produit lorsqu’elles sont espacées, mais lorsque vous appliquez un champ magnétique, elles sont tirées l’une sur l’autre et cela crée un semi-métal de Weyl. L’idée primordiale est d’utiliser le magnétisme pour contrôler la topologie, ce qui serait un gros problème. »

Mais dans une nouvelle étude récemment publiée dans Lettres d’examen physique, une équipe de recherche internationale dirigée par Akrap a étudié ce matériau avec des détails sans précédent, pour finalement découvrir qu’il s’agit d’un semi-conducteur magnétique, un matériau toujours très intéressant, mais qui ne fait pas partie des semi-métaux convoités. Et pourtant, “il existe environ 30 articles dans la littérature, tant théoriques qu’expérimentaux, qui affirment qu’il s’agit d’un semi-métal de Weyl, et le message clé est que nous devrions tous être un peu plus prudents”, explique Akrap.

Pour réaliser leurs expériences, l’équipe a réussi à synthétiser des échantillons de haute qualité d’EuCd₂Comme₂, à la fois sous forme métallique et, pour la première fois, sous forme de cristaux isolants. La capacité de fabriquer des échantillons très propres a permis à l’équipe de mesurer le comportement magnétique et électrique du matériau avec beaucoup plus de précision que lors d’études précédentes.

“La recette utilisée par notre cristalliste pour distiller l’échantillon était en effet très particulière”, explique Akrap, “essentiellement en effectuant d’abord une cristallisation, puis en utilisant ce petit cristal comme graine pour la synthèse suivante. Mais l’essentiel était que nous avons commencé avec des matériaux propres, notamment en achetant de l’europium extrêmement pur, ce qui n’est pas facile à trouver.”

L’équipe a ensuite appliqué une combinaison de techniques, notamment le transport électronique, la spectroscopie optique et la spectroscopie de photoémission à l’état excité, pour mesurer le comportement du matériau à différentes températures et sous un champ magnétique externe allant jusqu’à 16 T. La conclusion était que le composé se comporte comme un semi-conducteur magnétique, combinant ainsi un comportement antiferromagnétique avec une conductivité électrique intermédiaire entre un conducteur et un isolant, avec une bande interdite de 0,77 eV.

Et s’il est vrai que l’application d’un champ magnétique externe a un fort impact sur son comportement, notamment en diminuant la bande interdite d’environ 125 meV, le matériau continue de se comporter comme un semi-conducteur même sous un fort champ magnétique, sans aucun signe de transition. à un semi-métal Weyl.

Comment tant d’études ont-elles pu obtenir l’EuCd₂Comme₂ tellement faux? Akrap souligne que l’une des principales raisons est que l’europium possède des électrons dans les orbitales f, et ces électrons sont notoirement difficiles à simuler pour la DFT. “C’est un problème bien connu, et au sein du consortium MARVEL, il y a des gens qui savent comment le résoudre, alors j’espère que nous ferons des progrès.”

Mais du côté positif, dit Akrap, “Cette étude montre la puissance de la spectroscopie optique, une technique qui peut vraiment montrer ce qu’est un matériau. L’optique était plus importante dans le passé et elle devrait récupérer son espace. Nous nous appuyons désormais sur un beaucoup sur la spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES), qui est une technique merveilleuse car elle montre directement la structure des bandes mais présente des inconvénients. Elle ne montre que les états occupés, pas les états libres. En optique, vous les voyez. En général, le recours excessif à des techniques spécifiques est un problème qui devrait être résolu.