Des fermions de Weyl découverts dans une nouvelle classe de matériau

Villigen, 12.07.2019 - Les fermions de Weyl sont des particules élémentaires d’un genre spécial qui ont été découvertes il y a quelques années seulement. Leur particularité: lorsqu’ils se déplacent dans un matériau, ils le font d’une manière inhabituelle et extrêmement ordonnée. De fait, ils n’entrent pratiquement jamais en collision les uns avec les autres, ce qui est très efficace en termes énergétiques et ouvre de fascinantes possibilités pour l’électronique du futur. Jusqu’ici, on avait détecté des fermions de Weyl uniquement dans certains matériaux non magnétiques. Mais des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI ont maintenant réussi une première: démontrer de manière expérimentale l’existence de fermions de Weyl dans un autre type de matériau, un matériau paramagnétique qui possède des champs magnétiques internes avec une fluctuation lente. Ce résultat de recherche signifie aussi qu’il est possible de manipuler des fermions de Weyl avec des champs magnétiques faibles. Il ouvre ainsi de nouvelles possibilités dans le domaine de la spintronique, un développement de l’électronique prometteur pour des technologies informatiques innovantes. Les chercheurs viennent de publier leurs résultats dans la revue spécialisée Science Advances.

Les fermions de Weyl pourraient jouer un rôle dans une électronique du futur plus économe en énergie. L'expérimentation n'a permis de prouver leur existence qu'à l'intérieur de certains matériaux, où ils sont présents en tant que quasi-particules, qui se comportent comme des particules sans masse. Leur existence avait déjà été théoriquement prédite en 1929 par le mathématicien Hermann Weyl, mais il a fallu attendre 2015 pour qu'ils soient découverts de manière expérimentale, entre autres par des chercheurs du PSI. Jusqu'ici, les fermions de Weyl n'avaient pu être observés que dans certains matériaux non magnétiques. Mais une équipe de chercheurs du PSI, associée à des scientifiques des Etats-Unis, de Chine, d'Allemagne et d'Autriche, vient d'en découvrir dans un matériau paramagnétique bien particulier. Cette découverte représente un pas en avant vers une possible utilisation des fermions de Weyl dans les technologies informatiques.

A la recherche de fluctuations magnétiques lentes

«La difficulté a été d'identifier un matériau magnétique prometteur pour y trouver ces fermions de Weyl», explique Junzhang Ma, postdoc au PSI et premier auteur de la nouvelle étude. Même si l'existence de fermions de Weyl dans certains matériaux magnétiques était considérée comme possible en physique théorique, la preuve expérimentale se faisait toujours attendre en dépit des importants efforts consentis par plusieurs groupes de recherche dans le monde. Les chercheurs du PSI ont alors eu l'idée de porter leur attention sur un groupe particulier de matériaux magnétiques: les matériaux paramagnétiques avec des altérations aléatoires - appelées fluctuations - relativement lentes du champ magnétique.

«Dans certains matériaux paramagnétiques, ces fluctuations magnétiques intrinsèques pourraient suffire pour produire une paire de fermions de Weyl, relève Ming Shi, professeur dans le même groupe de Junzhang Ma, le groupe Spectroscopie de matériaux innovants. Mais nous étions conscients que ces fluctuations devaient être suffisamment lentes pour que les fermions de Weyl puissent apparaître. A partir de là, le défi était de découvrir quel était le matériau susceptible d'avoir des fluctuations magnétiques suffisamment lentes.»

Comme il n'existe aucun ouvrage de référence répertoriant les vitesses des fluctuations magnétiques de tous les matériaux, les chercheurs ont dû déployer beaucoup d'efforts pour trouver le matériau qui convienne à leur expérience. L'analyse de modèle en physique théorique menée également au PSI les a aidés à identifier un candidat prometteur avec fluctuations magnétiques lentes: le matériau avec le nom chimique EuCd2As2 pour arséniure d'europium-cadmium. Et effectivement: les scientifiques ont réussi à démontrer expérimentalement l’existence de fermions de Weyl dans ce matériau paramagnétique.

Des muons et des rayons X pour les mesures

Les chercheurs ont utilisé les grandes installations de recherche du PSI pour leurs expériences: la source de muons SμS leur a permis dans un premier temps de mieux comprendre les propriétés des fluctuations magnétiques de leur matériau. Ensuite, c'est grâce à un procédé de spectroscopie à rayons X à la Source de Lumière Suisse SLS qu'ils ont pu démontrer l'existence des fermions de Weyl.

«Nous avons montré que des fermions de Weyl pouvaient exister dans une plus grande gamme de matériaux que ce que l'on imaginait jusque-là», résume Junzhang Ma. Ce résultat de recherche élargit considérablement la palette des matériaux qui pourraient entrer en ligne de compte pour l'électronique du futur. Les fermions de Weyl, en tant que partie intégrante d'un développement appelé spintronique, pourraient être utilisés pour acheminer des informations avec une efficacité bien supérieure à celle des électrons utilisés à cet effet dans la technologie actuelle.

Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann

A propos du PSI
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Publication originale
Spin fluctuation induced Weyl semimetal state in the paramagnetic phase of EuCd2As2
J.-Z. Ma, S. M. Nie, C. J. Yi, J. Jandke, T. Shang, M. Y. Yao, M. Naamneh, L. Q. Yan, Y. Sun, A. Chikina, V. N. Strocov, M. Medarde, M. Song, Y.-M. Xiong, G. Xu, W. Wulfhekel, J. Mesot, M. Reticcioli, C. Franchini, C. Mudry, M. Müller, Y. G. Shi, T. Qian, H. Ding, M. Shi
Science Advances 12 juillet 2019 (en ligne)
DOI: https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aaw4718

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