Les Chercheurs Découvrent Un État Quantique Exotique Dans Des Isolants Topologiques

Une nouvelle découverte

Pour la première fois, les physiciens ont observé de nouveaux effets quantiques dans des isolants topologiques à température ambiante. Ce progrès, publiée comme l’article de couverture de l’édition d’octobre de Nature Materials, est survenue lorsque des chercheurs de Princeton ont fait la recherche sur un matériau topologique basé sur l’élément bismuth.

Les scientifiques ont utilisé des isolants topologiques pour montrer les effets quantiques pendant plus d’une décennie, encore cette expérience est la première fois que ces effets ont été observés à température ambiante. Généralement, induire et observer des états quantiques dans des isolants topologiques exige des températures autour du zéro absolu, égales à -459 degrés Fahrenheit (ou -273 degrés Celsius).

Cette découverte ouvre une nouvelle variété de possibilités pour développer des technologies quantiques efficaces, telles que l’électronique basée sur le spin, qui peut remplacer plusieurs systèmes électroniques actuels pour une plus grande efficacité énergétique.

Récemment, l’étude des états topologiques de la matière a attiré fortement l’attention des physiciens et des ingénieurs, et fait actuellement l’objet de nombreux intérêts et recherches au niveau international. Ce domaine d’étude intègre la physique quantique à la topologie – une branche des mathématiques théoriques qui étudie les propriétés géométriques qui peuvent être déformées, mais pas encore fondamentalement transformées.

“Les propriétés topologiques inconnues de la matière sont devenues l’un des trésors les plus recherchés de la physique moderne, tant du point de vue de la physique fondamentale, que pour identifier les applications potentielles dans l’ingénierie quantique, et les nanotechnologies de nouvelle génération”, a déclaré M. Zahid Hasan, professeur de physique Eugene Higgins à l’Université de Princeton, qui a dirigé l’étude.

“Ce travail a été rendu possible grâce à de nombreux progrès expérimentaux innovants dans notre laboratoire de Princeton”, a ajouté Hasan.

Isolateurs topologiques

Un isolant topologique est le principal composant de l’appareil utilisé pour étudier les secrets de la topologie quantique. Cet appareil unique fonctionne comme un isolant à l’intérieur, ce qui signifie que les électrons à l’intérieur ne sont pas libres de se déplacer, et ne conduisent donc pas l’électricité.

Mais, les électrons sur les bords de l’appareil sont libres de se déplacer, indiquant qu’ils sont conducteurs. Compte tenu des propriétés uniques de la topologie, les électrons circulant le long des bords ne sont pas obstrués par des problèmes ou des déformations. Cet appareil a pour objectif d’améliorer la technologie et de produire une meilleure compréhension de la matière en sondant les propriétés électroniques quantiques.

Jusqu’a présent, il y a eu un obstacle important dans la poursuite de l’utilisation de matériaux et de dispositifs pour des applications dans des dispositifs pratiques. “Il y a beaucoup d’intérêt pour les matériaux topologiques, et les gens discutent souvent de leur potentiel fantastique pour des applications pratiques”, a déclaré Hasan, “Encore, jusqu’à ce qu’un effet topologique quantique macroscopique puisse être révélé à température ambiante, ces applications continueront probablement d’être non réalisé.”

C’est parce que les températures ambiantes ou élevées produisent ce que les physiciens appellent un ‘‘bruit thermique’’ qui est décrit comme une augmentation de la température telle que les atomes commencent à vibrer fortement. Cette action peut interférer avec des systèmes quantiques fragiles, effondrant par conséquent l’état quantique. Dans les isolants topologiques, en particulier, ces températures plus élevées génèrent un scénario dans lequel les électrons à la surface de l’isolant traversent l’intérieur, ou “la masse”, de l’isolant et incitent les électrons là-bas pour commencer également à conduire, ce qui affaiblit ou casse le effet quantique unique.

Une solution astucieuse

La solution consiste à exposer ces expériences à des températures extrêmement froides, généralement égales ou proches du zéro absolu. À ces températures extrêmement basses, les particules atomiques et subatomiques cessent de vibrer, et sont, par conséquent, plus faciles à manipuler. Créer et maintenir un environnement ultra-froid n’est pas pratique pour de nombreuses applications ; il est coûteux, encombrant, et consomme une quantité d’énergie importante.

Hasan et son groupe ont en fait conçu une méthode innovante pour contourner ce problème. Par rapport à leur expérience avec les matériaux topologiques et en travaillant avec de nombreux collaborateurs, ils ont produit un nouveau type d’isolant topologique à base de bromure de bismuth (formule chimique α-Bi4Br4), qui est un composé cristallin inorganique parfois utilisé pour le traitement de l’eau et les analyses chimiques.

“C’est tout simplement fantastique que nous les ayons découverts sans grande pression, ni champ magnétique ultra-élevé, rendant ainsi les matériaux beaucoup plus accessibles pour développer la technologie quantique de la nouvelle génération”, a déclaré Nana Shumiya, qui a obtenu son doctorat à Princeton, est un associé de recherche postdoctoral en génie électrique et informatique, et est l’un des trois co-premiers auteurs de l’article.

Elle a ajouté, : “Je crois que notre découverte fera avancer la frontière quantique.”

Les origines de la découverte résident dans le fonctionnement de l’effet Hall quantique – un type d’effet topologique qui a fait l’objet du prix Nobel de physique en 1985. Depuis lors, les phases topologiques ont été profondément étudiées. De nombreuses nouvelles classes de matériaux quantiques avec des structures électroniques topologiques ont en fait été découvertes, notamment des isolants topologiques, des supraconducteurs topologiques, des aimants topologiques et des semi-métaux de Weyl.

La poursuite d’une décennie

Pendant que les découvertes expérimentales se produisaient rapidement, les découvertes théoriques progressaient également. Des concepts théoriques importants sur les isolants topologiques bidimensionnels (2D) ont été developé en 1988 par F. Duncan Haldane, professeur de physique de l’Université Sherman Fairchild à Princeton.

Il a reçu le prix Nobel de physique en 2016 pour ses découvertes théoriques sur les transitions de phase topologiques et un type d’isolants topologiques 2D. En suivant les développements théoriques, ont montré que les isolants topologiques pouvaient prendre la forme de deux doubles du modèle de Haldane basé sur l’interaction spin-orbite de l’électron.

Hasan et son groupe poursuivent depuis une décennie, un état quantique topologique qui pourrait également fonctionner à température ambiante après leur découverte des premiers cas d’isolants topologiques tridimensionnels en 2007. Dernièrement, ils ont découvert une solution matérielle à la conjecture de Haldane dans un aimant à réseau kagome pouvant fonctionner à température ambiante, qui affiche en outre la quantification préférée.

‘‘Les isolants topologiques du réseau kagome peuvent être conçus pour posséder des croisements de bandes relativistes et des interactions électron-électron robustes. Les deux sont nécessaires pour un nouveau magnétisme’’, a déclaré Hasan. “Par conséquent, nous avons remarqué que les aimants kagome sont un système prometteur pour rechercher des phases topologiques d’aimants, car ils ressemblent aux isolants topologiques que nous avons trouvés et étudiés il y a plus de dix ans.”

“Une conception de chimie et de structure atomique appropriée combinée à la théorie des premiers principes est l’étape importante pour faire une prédiction sensée spéculative de l’isolant topologique dans un environnement à haute température”, a déclaré Hasan. “Il existe de nombreux matériaux topologiques, et nous avons besoin à la fois d’intuition, d’expérience, de calculs spécifiques aux matériaux, et d’efforts expérimentaux extrêmes pour finalement localiser le matériau approprié pour une exploration approfondie. Ce qui nous a emmenés dans un voyage d’une décennie d’exploration de nombreux matériaux à base de bismuth.

Les électrons dans les isolants topologiques

Les isolants, comme les semi-conducteurs, ont des intervalles d’isolation ou de bande. Essentiellement, ce sont des “barrières” entre les électrons en orbite, un type de “no man’s land” où les électrons ne peuvent pas aller. Ces bandes interdites sont incroyablement cruciales car, pour ne citer que quelques éléments, elles constituent la clé de voûte pour surmonter la contrainte d’atteindre un état quantique imposé par le bruit thermique.

Ils le font si la largeur de la bande interdite dépasse la largeur du bruit thermique. Cependant, l’énorme bande interdite peut également interrompre la combinaison spin-orbite des électrons – c’est l’interaction entre le spin de l’électron et son mouvement orbital autour du noyau. Lorsque cette perturbation se produit, l’état quantique topologique s’effond. Par conséquent, l’astuce pour provoquer et préserver l’effet quantique consiste à découvrir un équilibre entre une grande bande et les effets de couplage spin-orbite gap.

L’endroit idéal

Suite à la proposition des partenaires et co-auteurs Fan Zhang et Yugui Yao d’explorer un type de métaux Weyl, Hasan et le groupe ont étudié la famille des matériaux bromure de bismuth. Le groupe n’a pas pu observer les phénomènes de Weyl dans ces matériaux. Hasan et son groupe ont découvert que l’isolant au bromure de bismuth a des propriétés qui le rendent beaucoup plus idéal qu’un isolant topologique à base de bismuth-antimoine (alliages Bi-Sb) qu’ils avaient étudié dans le passé.

Il a un grand espace isolant de plus de 200 meV (“milli électron volts”). C’est assez grand pour surmonter le bruit thermique, mais assez petit pour ne pas interrompre l’effet de combinaison spin-orbite et la topologie d’inversion de bande.

“Dans ce cas, dans nos expériences, nous avons trouvé un équilibre entre les effets de combinaison spin-orbite et une grande largeur de bande interdite”, a déclaré Hasan. Nous avons découvert qu’il existe un “sweet spot” où vous pouvez avoir une combinaison spin-orbite assez énorme pour développer une torsion topologique, et élever la bande interdite sans la détruire. C’est comme un point d’équilibre pour les matériaux à base de bismuth que nous étudions depuis longtemps.

Les scientifiques savaient qu’ils avaient effectivement atteint leur objectif lorsqu’ils ont observé ce qui se passait dans l’expérience à l’aide d’un microscope à effet tunnel à résolution subatomique. Cet appareil particulier utilise une propriété appelée “effet tunnel quantique”, où les électrons sont acheminés entre la pointe métallique, pointe mono-atome du microscope et l’échantillon.

Le microscope utilise ce courant tunnel au lieu de la lumière pour observer le monde des électrons à l’échelle atomique. Les chercheurs ont observé un état clair de bord de Hall de spin quantique, l’une des propriétés cruciales qui existent distinctement dans les systèmes topologiques. Cela a nécessité une nouvelle instrumentation supplémentaire pour isoler distinctement l’effet topologique.

Matériaux topologiques

“Pour la première fois, nous avons démontré qu’il existe une classe de matériaux topologiques à base de bismuth dont la topologie survit jusqu’à la température ambiante”, a déclaré Hasan. “Nous sommes vraiment confiants dans notre résultat.”

Cette découverte est l’aboutissement de plusieurs années de travail expérimental durement gagné, et a nécessité l’introduction de suggestions d’instrumentation uniques supplémentaires dans les expériences. Hasan est un chercheur de premier plan dans les matériaux topologiques quantiques expérimentaux avec de nouvelles méthodologies d’expérimentation depuis plus de 15 ans; et, en effet, faisait partie des tout premiers chercheurs pionniers du domaine.

Entre 2005 et 2007, par exemple, lui et son équipe de scientifiques ont découvert l’ordre topologique dans un solide tridimensionnel de bismuth-antimoine en vrac, un alliage semi-conducteur, et des matériaux Dirac topologiques associés, en utilisant des approches expérimentales uniques. Cela a conduit à la découverte de matériaux magnétiques topologiques. Entre 2014 et 2015, ils ont découvert une nouvelle classe de matériaux topologiques appelés semi-métaux magnétiques de Weyl.

Les scientifiques pensent que cette innovation ouvrira sans aucun doute, la porte à de futures possibilités d’études et d’applications dans les technologies quantiques.

“Nous pensons que cette découverte pourrait être le début du développement futur de la nanotechnologie”, a déclaré Shafayat Hossain, chercheur postdoctoral associé au laboratoire de Hasan, et autre co-premier auteur de l’étude. “Il y a eu beaucoup de possibilités proposées dans la technologie topologique qui attendent, et la localisation de matériaux appropriés associés à une instrumentation unique, est l’une des clés pour cela.”

Un domaine de recherche où Hasan et son équipe pensent que ce développement aura sans aucun doute, un impact particulier sur les technologies quantiques de prochaine génération. Les chercheurs pensent que cette nouvelle innovation accélérera certainement le progrès des matériaux quantiques plus efficaces et plus “verts”.

Isolateurs topologiques et autres matériaux

Actuellement, l’orientation théorique et expérimentale de l’équipe est concentrée dans deux directions, a déclaré Hasan.

Premièrement, les scientifiques souhaitent identifier quels autres matériaux topologiques pourraient fonctionner à température ambiante, et notamment, fournir à d’autres chercheurs des dispositifs et des techniques d’instrumentation uniques pour distinguer les matériaux qui fonctionneront certainement à la température ambiante et à haute température.

Deuxièmement, les chercheurs veulent continuer à pénétrer le monde quantique puisque cette découverte a permis de réaliser des expériences à des températures plus élevées.

Ces études nécessiteront le développement d’un autre ensemble de nouvelles instrumentations et techniques pour exploiter le potentiel substantiel de ces matériaux. “Je vois une chance remarquable d’explorer plus en profondeur des phénomènes quantiques exotiques et compliqués, avec notre nouvelle instrumentation, en trouvant des détails plus fins dans les états quantiques macroscopiques”, a déclaré Hasan. ‘‘Qui reconnaît ce que nous allons découvrir?’’

“Notre recherche est une véritable progrès en montrant le potentiel des matériaux topologiques pour les applications d’économie d’énergie”, a ajouté Hasan. “Ce que nous avons fait avec cette expérience, c’est planter une graine pour inciter d’autres scientifiques et ingénieurs à rêver grand.”

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