Un tableau périodique des matériaux topologiques

Qu'est-ce qu'un matériau topologique ?

Les matériaux topologiques les plus intéressants sont les isolants topologiques, qui sont des matériaux isolants dans la masse, mais conducteurs en surface. Dans ces matériaux, les canaux conducteurs où circule le courant électronique sont très robustes. Ils persistent indépendamment de certaines perturbations externes que l’on peut rencontrer lors d’expériences, comme un faible désordre ou des fluctuations de température, et ils sont également indépendants de leur taille. C’est très intéressant car cela signifie que ces matériaux ont une résistance constante, une conductivité constante. Avoir un contrôle aussi strict du courant électronique est utile pour de nombreuses applications.

Quels sont quelques exemples d’isolants topologiques ?

L’exemple le plus connu est probablement l’arséniure de gallium, un semi-conducteur bidimensionnel souvent utilisé dans les expériences sur l’effet Hall quantique entier. Dans la nouvelle génération d’isolants topologiques, le plus connu est le séléniure de bismuth, mais il n’a pas retenu autant d’attention.

Pourquoi vous et vos collègues avez-vous décidé de rechercher de nouveaux matériaux topologiques ?

À l’époque, il n’y en avait que quelques-uns sur le marché, et nous nous sommes dit : « D’accord, si nous pouvons développer une méthode capable de calculer ou de diagnostiquer rapidement la topologie, nous pourrons voir s’il existe des matériaux qui ont des propriétés plus optimisées. »

Un exemple de propriété optimisée est la bande interdite électronique. Le fait que ces matériaux soient isolants dans leur masse signifie qu’il existe dans la masse une gamme d’énergies que les électrons ne peuvent pas traverser. Cette plage d’énergie « interdite » est la bande interdite électronique, et les électrons ne peuvent pas voyager dans cette région même s’ils peuvent exister à la surface du matériau. Plus la bande interdite électronique du matériau est grande, meilleur sera son isolant topologique.

Comment avez-vous procédé pour rechercher de nouveaux matériaux topologiques ?

Nous avons développé un algorithme basé sur les symétries cristallines d’un matériau, ce qui n’était pas pris en compte auparavant. La symétrie du cristal est très importante lorsqu'il s'agit de topologie car certains matériaux topologiques et certaines phases topologiques nécessitent une symétrie (ou une absence de symétrie) particulière pour exister. Par exemple, l’effet Hall quantique entier n’a besoin d’aucune symétrie, mais il a besoin d’une symétrie pour être brisée, qui est la symétrie d’inversion du temps. Cela signifie que le matériau doit être magnétique ou que nous avons besoin d’un très grand champ magnétique externe.

Mais d’autres phases topologiques ont besoin de symétries, et nous avons réussi à identifier de quelles symétries il s’agissait. Ensuite, une fois que nous aurons identifié toutes les symétries, nous pourrons les classer – car en fin de compte, c’est ce que font les physiciens. Nous classons les choses.

Nous avons commencé à travailler sur la formulation théorique en 2017, et deux ans plus tard, nous avons publié le premier article lié à cette formulation théorique. Mais c’est seulement maintenant que nous avons enfin tout terminé et publié.

Qui ont été vos collaborateurs dans cet effort et comment chacun a-t-il contribué ?

J'ai conçu (et, en partie, effectué) les calculs de principes premiers dans lesquels nous avons examiné comment simuler des matériaux réels et « diagnostiquer » s'ils avaient des propriétés topologiques. Pour cela, nous avons utilisé des codes de pointe et des codes maison qui nous indiquent comment les électrons du matériau se comportent et comment classer les propriétés topologiques du matériau. La formulation théorique et l'analyse ont été réalisées par Benjamin Wieder et Luis Elcoro parce qu'ils sont des physiciens théoriciens plus purs et durs. Ils ont aidé à analyser et à classer les phases topologiques. Un autre contributeur très important et principal responsable de ce projet était Nicolas Regnault; nous avons construit le site ensemble et pris en charge la conception du site et de la base de données.

Nous avons également bénéficié de l'aide de Stuart Parkin ainsi que Claudia Felser. Ce sont des experts en matériaux, ils pourraient donc nous donner des conseils pour savoir si un matériau convenait ou non. Et puis Andreï Bernevig était le coordinateur de tout. Nous travaillions ensemble depuis plusieurs années déjà.

Et qu'avez-vous trouvé?

Ce que nous avons découvert, c’est qu’il existe de très nombreux matériaux qui possèdent des propriétés topologiques – des dizaines de milliers d’entre eux.

Avez-vous été surpris par le chiffre ?

Oui. Très!

Étant donné l’omniprésence de ces propriétés topologiques, il semble presque surprenant que vous ayez été surpris. Pourquoi personne ne l’avait-il remarqué avant ?

Je ne sais pas pourquoi la communauté l’a complètement manqué, mais ce n’est pas seulement notre communauté de la science des matériaux et de la physique de la matière condensée qui l’a manqué. La mécanique quantique existe depuis un siècle déjà, et ces propriétés topologiques sont subtiles, mais elles ne sont pas très complexes. Pourtant, tous les « pères » intelligents de la mécanique quantique ont complètement raté cette formulation théorique.

Quelqu'un a-t-il essayé de synthétiser ces matériaux et de vérifier s'ils se comportent effectivement comme des isolants topologiques ?

Bien entendu, tous n’ont pas été contrôlés, car ils sont très nombreux. Mais certains d’entre eux l’ont fait. De nouveaux matériaux topologiques ont été créés expérimentalement à la suite de ces travaux, comme l'isolant topologique d'ordre élevé Bi4Br4.

Les Base de données des matériaux topologiques que vous et vos collègues avez construit a été décrit comme « un tableau périodique des matériaux topologiques ». Quelles propriétés déterminent sa structure ?

Les propriétés topologiques sont liées au courant électronique, qui est une propriété globale du matériau. L’une des raisons pour lesquelles les physiciens n’avaient peut-être pas pensé à la topologie auparavant est qu’ils se concentraient beaucoup sur les propriétés locales plutôt que sur les propriétés globales. Donc, en ce sens, la propriété importante est liée à la localisation de la charge et à la façon dont la charge est définie dans l’espace réel.

Ce que nous avons découvert, c’est que si nous connaissons les symétries cristallines du matériau, nous pouvons anticiper le comportement de la charge ou son écoulement. Et c’est ainsi que l’on pourrait classer les phases topologiques.

Comment fonctionne la base de données de matériaux topologiques ? Que font les chercheurs lorsqu’ils l’utilisent ?

Tout d’abord, ils entrent dans la formule chimique du matériau. Par exemple, si vous êtes intéressé par le sel, la formule est le chlorure de sodium. Donc vous mettez NaCl dans la base de données et vous cliquez, et là toutes les propriétés apparaissent. C'est très simple.

Attendez, êtes-vous en train de dire que le sel de table commun est un matériau topologique ?

Oui.

Vraiment?

Oui.

C'est incroyable. En plus de surprendre les gens avec les propriétés topologiques de matériaux familiers, quel impact espérez-vous que votre base de données aura sur le terrain ?

J’espère que cela aidera les expérimentateurs à déterminer quels matériaux ils devraient cultiver. Maintenant que nous avons analysé le spectre complet de toutes les propriétés des matériaux, les expérimentateurs devraient être capables de dire : « D'accord, ce matériau est dans un régime de transport d'électrons dont nous savons qu'il n'est pas bon, mais si je le dope avec des électrons, alors nous le ferons. parvenir à un régime très intéressant. Nous espérons donc, dans un sens, que cela aidera les expérimentateurs à trouver de bons matériaux.

Les matériaux topologiques ont récemment fait l'objet d'une grande attention en raison d'un lien possible avec l'informatique quantique. Est-ce une grande motivation dans votre travail ?

C’est lié, mais chaque domaine a des branches différentes, et je dirais que notre travail se situe dans une branche différente. Bien sûr, vous avez besoin d'un matériel topologique comme plate-forme pour développer un ordinateur quantique topologique utilisant l'un des qubits (bits quantiques) possibles qui ont été proposés, donc ce que nous avons fait est important pour cela. Mais le développement d’un ordinateur quantique topologique nécessitera beaucoup plus de travail sur la conception des matériaux, car la dimension du matériau joue un rôle important. Nous examinions trois dimensions, et il se pourrait que pour les plates-formes informatiques quantiques, nous devions nous concentrer sur les systèmes 2D.

Il existe cependant d'autres applications. Vous pouvez utiliser la base de données pour trouver des matériaux pour les cellules solaires, par exemple, ou pour la catalyse, des détecteurs ou des appareils électroniques à faible dissipation. Au-delà des applications super-exotiques, ces possibilités au quotidien sont également très importantes. Mais notre véritable motivation pour ce travail était de comprendre la physique de la topologie.

Ubiquité des matériaux topologiques révélés dans des catalogues contenant des milliers de substances

Quelle est la prochaine étape pour vous et vos collaborateurs ?

J'aimerais faire des recherches sur les matières organiques. La base de données actuelle se concentre sur les matériaux inorganiques car nous avons pris la base de données sur la structure des cristaux inorganiques comme point de départ, mais les matériaux organiques sont également très intéressants. J'aimerais également étudier davantage de matériaux magnétiques, car la base de données contient moins de matériaux magnétiques que de matériaux non magnétiques. Et puis je veux examiner les matériaux qui ont des symétries chirales – c’est-à-dire qu’ils sont symétriques, mais « remis » dans le sens où ils ont une version gauche et une version droite.

Pensez-vous qu’il pourrait y avoir des milliers d’autres matériaux topologiques parmi les matériaux organiques ou magnétiques ?

Je ne sais pas. Cela dépend de la taille de la bande interdite électronique. Nous verrons!