Visualisation des modes limites de l’onde de densité de charge dans un matériau topologique

Représentation schématique du mode limite de l’onde de densité de charge dans Ta2Se8I. Crédit : Conception : Christina Pouss, Institut Max Planck, Idée : Md Shafayat Hossain et Maksim Litskevich.

Les ondes de densité de charge sont des phénomènes quantiques se produisant dans certains matériaux, qui impliquent une modulation statique des électrons de conduction et une distorsion périodique du réseau. Ces ondes ont été observées dans de nombreux matériaux de matière condensée, notamment les supraconducteurs à haute température et les systèmes Hall quantiques.

Bien que de nombreuses études aient étudié ces états, les observations expérimentales des états limites qui émergent des ondes de densité de charge sont encore rares. Dans un article récent, publié Dans Nature Physics, des chercheurs de l’Université de Princeton et d’autres instituts du monde entier ont visualisé les modes volumique et limite de l’onde de densité de charge dans le matériau topologique Ta2Se8I.

« Notre groupe de recherche se concentre sur la découverte et l’étude de nouvelles propriétés topologiques de la matière quantique en utilisant diverses techniques expérimentales de pointe qui sondent la structure électronique des matériaux », a déclaré à Phys.org Maksim Litskevich, co-auteur de l’article. « Ces dernières années, la communauté des physiciens a été enthousiasmée par l’exploration des propriétés fascinantes et riches des matériaux Kagome, qui entremêlent de manière complexe la géométrie, la topologie et les interactions électroniques. »

Litskevich et ses collègues ont été des pionniers dans l’étude des ondes de densité de charge. Il y a quelques années, ils découvert la coexistence d’une onde de densité de chargeun état quantique à plusieurs corps caractérisé par une modulation spatiale de la charge électronique et un gap énergétique isolant, et un mode de bord sans gap dans FeGe, l’un des matériaux Kagome.

Bien que les chercheurs aient observé ces deux états coexistants dans le FeGe, cela n’implique pas nécessairement qu’un état soit à l’origine de l’autre. En fait, l’état de bord pourrait également être trivial (non topologique) ou pourrait également provenir d’une topologie sans rapport avec l’onde de densité de charge.

« Inspirée par l’étude des composés de Kagome, notre équipe de recherche a poursuivi la recherche d’un lien entre l’onde de densité de charge et la topologie, en portant son attention sur un composé quasi unidimensionnel, Ta2Se8I, qui présente des propriétés topologiques et subit une transition vers l’état d’onde de densité de charge (en dessous de -10 degrés Celsius) », a déclaré Litskevich.

« De manière intéressante, nos mesures de microscopie à effet tunnel ont révélé un mode de limite dans l’intervalle (état de bord) dans un état d’onde de densité de charge à basse température, suivi de sa disparition dans l’état semi-métallique de Weyl à haute température. »

Litskevich et ses collègues ont découvert que la périodicité spatiale et la phase des oscillations du mode limite qu’ils ont observées étaient étroitement liées aux caractéristiques de l’onde de densité de charge dans Ta2Se8I. Cette relation co-dépendante suggère qu’il existe une relation inhérente entre le mode limite et l’onde de densité de charge, une hypothèse qu’ils ont ensuite confirmée via une modélisation théorique.

« Pour la première fois, nous avons ainsi comblé le fossé entre les systèmes d’ondes topologiques et de densité de charge, marquant une étape progressive vers la compréhension des complexités du monde quantique », a déclaré Litskevich.

Pour mener à bien leurs expériences, les chercheurs ont utilisé une technique expérimentale appelée microscopie à effet tunnel (STM). La STM, qui s’appuie sur de longues sondes fines en forme d’aiguilles pour imager les matériaux au niveau atomique, leur a permis d’étudier et d’examiner de près le matériau quasi-1D Ta2Se8I.

« Nous avons effectué nos mesures sur un Omicron LT STM (LT = basse température) à une température comprise entre 160 K et 300 K (-113 à 27 degrés Celsius) dans des conditions de vide ultra-élevé », a déclaré Litskevich. « Le STM utilise un phénomène de tunnel quantique entre une pointe métallique pointue et la surface conductrice de l’échantillon. En raison du tunnel quantique, des électrons mobiles peuvent s’échapper entre la pointe et l’échantillon, produisant ainsi un minuscule courant électrique détecté par l’électronique sensible. »

Représentation schématique du mode limite de l’onde de densité de charge dans Ta2Se8I. Crédit : Conception : Christina Pouss, Institut Max Planck, Idée : Md Shafayat Hossain et Maksim Litskevich.

Le courant tunnel détecté par les sondes STM est ensuite utilisé pour imager la surface des matériaux avec une définition subatomique. En analysant l’amplitude du courant en fonction de la tension appliquée (une technique connue sous le nom de spectroscopie à effet tunnel), les chercheurs ont également pu cartographier la population d’électrons dans le matériau par niveaux d’énergie.

« En ce qui concerne notre composé étudié, Ta2Se8I, l’imagerie STM nous a permis d’identifier l’état d’onde de densité de charge en mettant en évidence la différence de courant électrique produit par les régions faiblement et fortement chargées », a déclaré Litskevich. « De plus, en dirigeant notre courant tunnel de la pointe vers le bord atomiquement tranchant de l’échantillon, nous avons détecté un mode de limite dans l’intervalle dans l’état d’onde de densité de charge de Ta2Se8I. »

Litskevich et ses collègues ont observé la première visualisation d’un mode de limite topologique unique provenant de l’onde de densité de charge de Ta2Se8I. L’observation de ce mode améliore la compréhension des ondes de densité de charge, ouvrant la voie à de nouvelles études dans ce domaine.

« Le mode de limite topologique que nous avons observé, associé à l’onde de densité de charge, présente une topologie unique distincte des modes de bord de Hall de spin quantique traditionnels », a déclaré à Phys.org Md Shafayat Hossain, co-auteur de l’article. « Au lieu du flux spectral habituel de la magnitude de l’impulsion associée, nous observons un « pseudo-flux spectral » de la phase de l’impulsion. Plus précisément, la phase du vecteur d’onde de l’onde de densité de charge reste sans interruption et relie les phases de la masse interrompue, ce qui représente un état hautement exotique. »

Les chercheurs ont découvert que l’écart isolant induit par l’onde de densité de charge dans Ta2Se8I et son mode de limite dans l’intervalle est remarquablement robuste, persistant à des températures allant jusqu’à 260 K. Cette robustesse à la température pourrait être favorable à diverses applications et pourrait faciliter le développement de nouvelles technologies qui exploitent ce mode.

« Les implications de nos découvertes sont multiples », a déclaré Hossain. « L’état fondamental de la phase ordonnée en charge dans Ta2Se8I (notre plate-forme matérielle) devrait être un isolant axionique, une phase de la matière très recherchée. Cependant, nous constatons que Ta2Se8I ne possède pas l’état de surface topologique attendu d’un isolant axionique non magnétique. »

Si les observations recueillies par Litskevich, Hossain et leurs collègues mettent en évidence la nature topologique de la phase ordonnée en charge, elles jettent le doute sur certaines interprétations théoriques antérieures. En particulier, elles suggèrent que, contrairement aux hypothèses précédentes, Ta2Se8I pourrait ne pas être un isolant axionique.

« Nous espérons que nos travaux inciteront la communauté scientifique dans son ensemble à rechercher d’autres phases de symétrie brisée (CDW) dans les matériaux topologiques, faisant ainsi progresser la compréhension de l’interaction entre ces nouveaux phénomènes », a déclaré Hossain. « Dans le groupe du professeur Zahid Hasan à Princeton, nous consacrons des efforts ciblés à la découverte de nouvelles phases quantiques de la matière. »

La nouvelle phase identifiée par cette équipe de recherche ouvre de nouvelles pistes de recherche intéressantes. S’appuyant sur leur récente découverte, Litskevich, Hossain et leurs collègues prévoient désormais d’explorer de nouveaux phénomènes quantiques émergeant de l’interaction entre les ondes de densité de charge et la topologie d’un matériau. Par exemple, ils examineront plus en détail les parallèles connus entre les ondes de densité de charge et les supraconductivités.

« Tout comme l’association de la topologie et de la supraconductivité conduit à la supraconductivité topologique – une plateforme très prometteuse pour les calculs quantiques topologiques – les ondes de densité de charge topologique pourraient également être importantes pour l’informatique quantique et les nanotechnologies du futur », a ajouté Hossain. « Nous avons l’intention d’explorer ces possibilités plus en profondeur. Notre objectif immédiat est de déterminer les paramètres d’ordre associés à cet état quantique exotique. »

Dans leurs prochaines études, Hossain et ses collègues prévoient également d’étudier d’autres matériaux quantiques présentant des ondes de densité de charge, à la recherche de phénomènes similaires. Enfin, ils poursuivront leur quête pour découvrir de nouveaux phénomènes dans les matériaux quantiques et espèrent que cela mènera à de nouvelles découvertes intéressantes.

Plus d’information:
Maksim Litskevich et al, Modes limites d’un état d’onde de densité de charge dans un matériau topologique, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02469-1.

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Citation:Visualisation des modes limites de l’onde de densité de charge dans un matériau topologique (2024, 10 juillet) récupéré le 10 juillet 2024 à partir de

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2024-07-10 14:30:02
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