Des oscillations quantiques défient les attentes dans un matériau exotique
Une étude publiée dans Nature Communications a mis en lumière une forme inhabituelle d’oscillation quantique dans un isolant topologique tridimensionnel. Les résultats montrent que les électrons du pentatellurure de zirconium (ZrTe5) peuvent se comporter de manière inattendue lorsqu’ils sont exposés à des températures proches du zéro absolu et à des champs magnétiques extrêmement puissants.
La recherche a été dirigée par des scientifiques de l’Université de São Paulo (USP) au Brésil, du Los Alamos National Laboratory, de l’Université de Washington et d’autres institutions américaines. L’équipe a combiné des expériences de transport électrique réalisées dans des champs magnétiques atteignant 60 teslas et à des températures avoisinant 0,7 kelvin (-272,45 °C) avec des calculs théoriques détaillés.
Julio Larrea Jiménez, professeur à l’Institut de physique de l’USP et co-fondateur du Laboratoire pour la matière quantique sous conditions extrêmes (LQMEC), a déclaré : « Ce travail élargit notre compréhension du transport des électrons dans des phases exotiques de la matière et suggère que les isolants topologiques soutiennent le transport non seulement de la charge électrique, mais aussi d’un autre degré de liberté fondamental : le spin des électrons. »
ZrTe5 est particulièrement précieux pour l’étude de ce type de physique car il se situe près de la frontière séparant différentes phases topologiques. De petits changements de température, de déformation mécanique, de composition chimique ou de champ magnétique peuvent altérer de manière significative son comportement électronique, ce qui en fait un matériau important pour l’investigation des transitions de phase topologiques et des quasiparticules relativistes dans les solides.
Les chercheurs ont découvert que ZrTe5 ne suivait pas le schéma habituel des oscillations de résistance magnétique. Ses oscillations de magnétorésistance n’étaient pas périodiques de manière conventionnelle et se poursuivaient bien au-delà de la limite quantique. Cela contredit les attentes conventionnelles, qui prévoient que les oscillations devraient disparaître au-delà de cette limite.
Les résultats de cette étude pourraient également aider à clarifier un débat de longue date concernant les expériences avec ZrTe5. Différents échantillons du même matériau ont produit des oscillations quantiques apparemment différentes. Certaines échantillons affichent des oscillations conventionnelles périodiques, tandis que d’autres montrent des oscillations non périodiques.
Les chercheurs suggèrent que des ajustements précis des facteurs tels que la symétrie, la densité des porteurs, le stress mécanique, la température et le champ magnétique pourraient produire des états électroniques encore plus exotiques, y compris des phases impliquant des quasiparticules Weyl.
Cette recherche a été soutenue par la FAPESP à travers une bourse de jeune chercheur attribuée à Larrea, avec un financement supplémentaire provenant d’institutions américaines, dont le Los Alamos National Laboratory et le National Science Foundation.
Source : Nature Communications
