Ajustement de l'énergie de Fermi dans les matériaux topologiques – FETTOM

Initialement, nous avons proposé différentes approches pour ajuster l'énergie de Fermi des différents systèmes d'intérêt, y compris le dopage chimique, le contrôle par liquide ionique et par grille solide, la réduction de la dimensionnalité, et la pression (uniaxiale et hydrostatique). Nous avons choisi de concentrer nos efforts particulièrement sur les études sous pression, qui est un domaine d'expertise des partenaires I et III, dans des conditions extrêmes. La réduction de la dimensionnalité n'a été utilisée que pour optimiser la mesure des oscillations quantiques sous pression, mais aucune étude spécifique sur la modification des propriétés physiques en fonction de l'épaisseur n'a été réalisée.

Les échantillons ont été synthétisés soit au PHELIQS Grenoble, soit à Hong Kong. Les mesures à basse température et sous pression ont été effectuées à la fois au PHELIQS Grenoble et à Hong Kong. Nous avons réalisé des expériences spécifiques sous très haut champ magnétique au LNCMI Grenoble pour confirmer ou infirmer différentes hypothèses sur la fermiologie des différents systèmes étudiés. Cela a constitué une véritable valeur ajoutée dans le projet par rapport à nos concurrents

La famille des métaux kagome AV3Sb5 (A : K, Rb, Cs) présente une interaction intrigante entre la topologie de bande électronique non triviale, la supraconductivité, les corrélations électroniques menant à une instabilité de vague de densité de charge (CDW), et la frustration magnétique due à sa structure cristalline unique.

L'ensemble du consortium du projet a réalisé une étude détaillée de la surface de Fermi de CsV3Sb5, un membre de la famille kagome. Dans ce matériau, la surface de Fermi est reconstruite en raison de l'instabilité de CDW.

Pour mieux comprendre le matériau, il est crucial de connaître la surface de Fermi du métal "pur", avant que l'instabilité électronique ne s'installe. Cela a été réalisé dans l'étude actuelle par une sonde de la surface de Fermi de CsV3Sb5 en fonction des pressions hydrostatiques allant jusqu'à 30 kbars et des champs magnétiques élevés allant jusqu'à 30 T. Le premier résultat est la découverte d'une grande surface de Fermi, qui est une signature de l'état pur et absente dans la surface de Fermi reconstruite à pression ambiante.

C'est la première fois qu'un tel effet fort de l'instabilité de CDW sur la surface de Fermi est directement démontré par des oscillations quantiques. Un autre résultat important est que la masse effective des porteurs de charge est sensiblement augmentée près de la pression critique où l'instabilité de CDW est supprimée par la pression. Ces deux résultats soulignent l'influence de la vague de densité de charge sur la structure électronique, ainsi que la sensibilité des corrélations électroniques à l'origine de cette instabilité électronique à une pression modeste.

​​Zhang W, Poon TF, Tsang CW, Wang W, Liu X, Xie .J, Lam ST, Wang S, Lai KT, Pourret A, Seyfarth G, Knebel G, Yu WC and Goh SK.

Large Fermi surface in pristine kagome metal CsV3Sb5 and enhanced quasiparticle effective masses

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (2024).

L'avenir de la collaboration :

Le projet ANR Fettom a eu un impact significatif sur la collaboration avec l'équipe de Swee Goh à Hong Kong. Nous prévoyons de poursuivre cette collaboration fructueuse sur une grande variété de systèmes topologiques intéressants avec des expériences conjointes au LNCMI Grenoble.

L'avenir du projet :

Après avoir étudié l'ajustement du niveau de Fermi sous pression dans le cadre du projet actuel, nous prévoyons, dans les années à venir, de modifier le niveau de Fermi de ces systèmes ayant une topologie électronique particulière en utilisant le dopage chimique ou par grille ionique. L'idée est de mettre en évidence les propriétés topologiques (électrons chiraux, électrons de Weyl, états de surface...) de ces matériaux et de détecter leur influence sur la fermiologie.

Nous envisageons d'explorer d'autres matériaux à base d'Europium ou de Gadolinium présentant des phases topologiques magnétiques exotiques, comme la phase de réseau de skyrmions, avec deux objectifs. Le premier est de comprendre le rôle de la symétrie du réseau (en comparant les systèmes non-centrosymétriques et centrosymétriques) sur le type/taille des skyrmions, la robustesse et la plage de température de la phase de réseau de skyrmions. Le deuxième est de comprendre la dynamique des skyrmions sous l'influence d'un gradient thermique ou d'un champ électrique.

Ce projet commun vise à étudier les états électroniques de materiaux topologiques via un ajustement de l'énergie de Fermi. Les matériaux quantiques topologiques hébergent des points de Dirac dans la structure de bande électronique. Les propriétés électroniques dépendent fortement de la position de l'énergie de Fermi, contrôlable par la pression hydrostatique et uniaxiale, le champ électrique et la dimensionnalité. Un comportement non conventionnel lié aux fermions chiraux ne se produit que si l’énergie de Fermi est proche de ces points de Dirac. Ce projet cherche à réaliser un tel ajustement de l’énergie de Fermi et à sonder la structure électronique sous-jacente via un champ magnétique élevé jusqu’à la limite quantique. Cela offre la perspective d’extraire la physique fondamentale et la fonctionnalisation de ces matériaux passionnants. Les résultats de ce projet intéresseront la communauté de la physique de la matière condensée et de l’ingénierie des dispositifs.