La « signature » de surface pourrait distinguer des isolants topologiques exotiques – Physics World

Une « signature de surface » récemment découverte de matériaux connus sous le nom d’isolants topologiques d’ordre supérieur pourrait les rendre plus faciles à identifier – une tâche qui s’est avérée difficile jusqu’à présent. La technique, développée par des chercheurs aux États-Unis, en France, en Chine et en Irlande, consisterait à mesurer les changements de polarisation d'un faisceau lumineux entrant lorsqu'il se reflète sur la surface du matériau. Bien qu’elle n’ait pas encore été démontrée expérimentalement, cette technique pourrait s’avérer utile pour développer des ordinateurs quantiques et des dispositifs de spintronique exploitant les propriétés de ces matériaux inhabituels.

Découverts en 2008, les isolants topologiques sont des matériaux qui conduisent très bien l'électricité le long de leurs bords ou de leurs surfaces tout en agissant comme isolants dans leur masse. Dans certains isolants topologiques, le courant électrique à l’état de bord induit un courant de spin transversal. Ces matériaux sont connus sous le nom de systèmes Hall à spin quantique par analogie avec l'effet Hall quantique, plus connu, dans lequel de puissants champs magnétiques induisent la circulation d'un courant électrique le long du bord d'un semi-conducteur.

Dans les états de bord d’un isolant topologique, les électrons ne peuvent se déplacer que dans une seule direction. Contrairement aux conducteurs normaux, ils ne rétrodiffusent pas. Ce comportement remarquable permet aux isolants topologiques de transporter un courant électrique avec une dissipation quasi nulle – une propriété qui suscite un intérêt considérable parmi les développeurs d’appareils électroniques, qui espèrent l’exploiter pour rendre ces appareils bien plus économes en énergie qu’ils ne le sont aujourd’hui.

Au cours de la dernière décennie, d'autres matériaux topologiques (notamment les semi-métaux de Dirac, les semi-métaux de Weyl et les isolants axioniques) sont apparus avec des propriétés encore plus étranges. Plus récemment, l'existence de matériaux isolants dans leur masse, sur leurs surfaces et le long de leurs bords, mais conducteurs au niveau des charnières ou des coins, a été théorisée. Les états charnières de ces isolants topologiques d'ordre supérieur (HOTI) sont intéressants pour l'étude de la spintronique car la direction de propagation des électrons dans ceux-ci est liée au spin des électrons. Les HOTI sont également prometteurs pour les fermions Majorana, qui ont des applications dans l’informatique quantique tolérante aux pannes – à condition que leur existence puisse être définitivement prouvée.

Difficile de distinguer les autres effets

En principe, les HOTI sont très distinctifs car ils conduisent l’électricité uniquement le long de lignes unidimensionnelles sur leur surface, c’est-à-dire le long de la limite d’une frontière. En pratique, cependant, ils sont difficiles à détecter car d’autres phénomènes (notamment des défauts cristallins dans un échantillon) peuvent produire des signatures expérimentales similaires. Pour compliquer les choses, les propriétés HOTI ne devraient se produire que dans des matériaux présentant un degré de symétrie inhabituellement élevé, explique Barry Bradlyn, physicien au University of Illinois at Urbana-Champaign, États-Unis, qui a codirigé la nouvelle étude. "Cela nécessite des structures cristallines irréalistes et, jusqu'à présent, seule une poignée de matériaux, y compris l'élément bismuth, ont démontré des signatures expérimentales compatibles avec cette catégorie de matériaux", explique Bradlyn.

Dans leur travail, qui est détaillé dans Communications Nature, Bradlyn et ses collègues ont analysé les électrons se propageant à travers la majeure partie d'un HOTI, en se concentrant sur le spin des électrons, qui peut être ascendant ou descendant. Si une tension électrique était appliquée à l’échantillon, ces deux états de spin s’accumuleraient sur des côtés opposés. Les chercheurs ont calculé que cette configuration de spin produirait une signature mesurable via un phénomène connu sous le nom d'effet Kerr magnéto-optique, dans lequel la polarisation d'un faisceau lumineux entrant change lorsqu'il se reflète sur la surface d'un échantillon.

Selon les calculs de l'équipe, le changement de polarisation résultant de chaque état de spin à la surface d'un matériau HOTI serait exactement la moitié de celui attendu pour une surface isolante 2D ordinaire. "Cette réponse" résolue en spin "à la surface est passionnante", déclare Bradlyn, "car elle donne la première prédiction d'une signature expérimentale robuste pour les matériaux HOTI."

Les propriétés des HOTI que l’équipe a identifiées dans ce travail pourraient être très utiles dans l’informatique quantique et les dispositifs spintroniques, poursuit Bradlyn, même si les chercheurs devraient d’abord les voir dans une expérience. "Nous espérons que notre étude montrera que l'intérieur et les surfaces des matériaux topologiques abritent encore de nombreuses caractéristiques mystérieuses et avantageuses si l'on sait les rechercher", dit-il.

Les chercheurs tentent désormais d'étendre leur formalisme à l'analyse d'isolants cristallins topologiques protégés par d'autres symétries. "Nous étudierons également les systèmes supraconducteurs", explique Bradlyn. Monde de la physique.

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• La source: https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/