EuCd2As2: Démystification du mythe du semi-métal de Weyl magnétique




Semi-conducteur à base de silicium


Semi-conducteur à base de silicium

Une récente étude révèle que l’EuCd2As2, un composé autrefois considéré comme un semi-métal de Weyl, est en réalité un semi-conducteur magnétique. Cette découverte souligne l’importance de l’expérimentation rigoureuse et de la diversité méthodologique en science des matériaux.

Des dizaines d’articles de recherche ont caractérisé une substance composée d’europium, de cadmium et d’arsenic comme un semi-métal de Weyl, une catégorie unique de matériaux topologiques exotiques. Mais de nouvelles expériences montrent que c’est en réalité tout autre chose.

Les semi-métaux de Weyl sont très convoités par les scientifiques des matériaux. Théorisés pour la première fois au début des années 2010, ils appartiennent à une catégorie unique de matériaux topologiques, dont les caractéristiques exceptionnelles en termes de transport, d’optique et de thermodynamique sont attribuées à leurs attributs géométriques et topologiques distincts, plutôt qu’à leur composition chimique. Ce qui distingue les semi-métaux de Weyl, c’est que leurs électrons se comportent comme s’ils étaient sans masse en raison de la présence de nœuds dans la structure électronique de bande, ce qui entraîne des propriétés inhabituelles et intéressantes.

Les scientifiques cherchent depuis un certain temps des exemples concrets de ces matériaux. Parmi ceux-ci se trouve – ou plutôt se trouvait – un composé d’europium, de cadmium et d’arsenic, l’EuCd2As2, que des études computationnelles basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ainsi que plusieurs études expérimentales avaient décrit comme un semi-métal de Weyl magnétique.

« La raison de l’excitation 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 compétence de recherche NCCR MARVEL et professeur à l’Université de Fribourg. « L’idée est que vous avez deux bandes [dans le matériau] et rien de spécial ne se passe lorsqu’elles sont espacées, mais lorsque vous appliquez un champ magnétique, elles se superposent les unes aux autres et cela crée un semi-métal de Weyl. L’idée générale est d’utiliser le magnétisme pour contrôler la topologie, ce qui serait une grande avancée. »

De nouvelles découvertes remettent en question les croyances antérieures

Mais dans une nouvelle étude publiée récemment dans Physical Review Letters, une équipe internationale de chercheurs dirigée par Akrap a étudié ce matériau en détails sans précédent, découvrant finalement qu’il s’agit d’un semi-conducteur magnétique – toujours un matériau très intéressant, mais pas l’un des semi-métaux tant convoités. Et pourtant, « il y a environ 30 articles dans la littérature, à la fois théoriques et expérimentaux, qui affirmaient que c’était un semi-métal de Weyl, et le message clé est que nous devrions tous être un peu plus prudents », explique Akrap.

Pour mener leurs expériences, l’équipe a réussi à synthétiser des échantillons de haute qualité d’EuCd2As2, à la fois sous forme métallique et – pour la première fois – sous forme de cristaux isolants. La capacité à fabriquer des échantillons très propres a permis de mesurer le comportement magnétique et électrique du matériau de manière beaucoup plus précise que dans les études précédentes. « La recette utilisée par notre cristalliseur pour distiller l’échantillon était en effet très particulière », explique Akrap, « en faisant essentiellement une cristallisation d’abord, puis en utilisant ce petit cristal comme semence pour la prochaine synthèse. Mais la chose principale était que nous avons commencé avec des matériaux propres, en achetant en particulier un europium extrêmement pur qui n’est pas facile à trouver. »

L’équipe a ensuite appliqué un mélange de techniques, y compris 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 un comportement antiferromagnétique avec une conductivité électrique intermédiaire entre un conducteur et un isolant, avec une bande interdite de 0,77 eV. Et bien qu’il soit vrai qu’appliquer un champ magnétique externe a un fort impact sur son comportement, en particulier en diminuant la bande interdite d’environ 125 meV, le matériau continue de se comporter comme un semi-conducteur même sous un champ magnétique fort, sans signe de transition vers un semi-métal de Weyl.

Comment autant d’études ont-elles pu se tromper à propos de l’EuCd2As2 ? Akrap souligne que l’une des principales raisons est que l’europium a des électrons dans les orbitales f, et ces électrons sont notoirement difficiles à simuler par la DFT. « C’est un problème bien connu, et dans le consortium MARVEL, il y a des personnes qui savent comment y faire face, donc nous espérons progresser. »

Mais du côté positif, explique 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 devrait regagner sa place. Nous nous reposons beaucoup maintenant sur la spectroscopie de photoémission à angle résolu (ARPES), qui est une merveilleuse technique car elle montre directement la structure de bande mais a des inconvénients. Elle ne montre que les états qui sont occupés, pas les libres. En optique, vous les voyez. En général, la trop grande dépendance à des techniques spécifiques est un problème qui doit être résolu. »

Référence: “EuCd2As2: A Magnetic Semiconductor” de D. Santos-Cottin, I. Mohelský, J. Wyzula, F. Le Mardelé, I. Kapon, S. Nasrallah, N. Barišić, I. Živković, J. R. Soh, F. Guo, K. Rigaux, M. Puppin, J. H. Dil, B. Gudac, Z. Rukelj, M. Novak, A. B. Kuzmenko, C. C. Homes, Tomasz Dietl, M. Orlita et Ana Akrap, 3 novembre 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.186704