Au cours de la dernière décennie, le domaine de la physique de la matière condensée a connu un âge d'or avec la découverte de nouveaux matériaux et propriétés, et les technologies associées se développent à une vitesse vertigineuse grâce à l'arrivée de la physique topologique. La physique topologique a décollé en 2008 avec la découverte de l'isolant topologique, un type de matériau électriquement isolant en vrac mais métallique en surface.

Depuis, les scientifiques ont trouvé des phases topologiques plus exotiques, notamment des semi-métaux de Dirac, Semi-métaux Weyl et isolants axioniques. Mais plus récemment, des matériaux isolants en vrac sur les surfaces et les bords mais métalliques uniquement sur les charnières ou aux coins ont été théoriquement prédits. Ces nouveaux matériaux bizarres appelés isolants topologiques d'ordre supérieur sont extrêmement rares et jusqu'à présent, seul l'élément bismuth s'est avéré appartenir à cette catégorie.

Qu'est-ce qu'un état charnière de toute façon? Imaginez une boîte - plus longue et plus large que haute - avec des rabats en haut et en bas que vous pouvez ouvrir pour mettre des choses à l'intérieur. L'espace à l'intérieur de la boîte serait appelé le volume. La plupart des matériaux qui conduisent l'électricité le font dans la masse. Cependant, dans les isolants topologiques, l'essentiel du boîtier est électriquement isolant mais le haut et le bas - les volets - sont métalliques et conservent des états de surface. Pour certains matériaux, l'essentiel, le haut et le bas de la boîte sont isolants mais les côtés (bords) sont métalliques. Ceux-ci ont des états de bord qui ont été démontrés dans des isolants topologiques magnétiques. Finalement, dans les isolants topologiques d'ordre supérieur, l'essentiel, Haut, le fond et les côtés de la boîte sont tous isolants, mais les charnières et les coins de la boîte sont métalliques et ont des états de charnière ou de coin disparates. Ces états charnières ont également été prédits pour exister dans les semi-métaux topologiques comme le bismuth. Les états charnières en particulier devraient être prometteurs pour l'étude de la spintronique car la direction de leur propagation est liée à leur spin ainsi que pour les fermions de Majorana qui sont activement étudiés pour leurs applications à l'informatique quantique tolérante aux fautes.

Maintenant une équipe internationale de scientifiques des États-Unis, Hong Kong, Allemagne, et la Corée du Sud ont identifié un nouvel isolant topologique d'ordre supérieur. Il s'agit d'un dichalcogénure de métal de transition bidimensionnel en couches (TMDC) appelé WTe2. Il s'agit d'un matériau célèbre en physique de la matière condensée qui présente une variété de propriétés exotiques allant de la magnétorésistance titanesque à l'effet hall de spin quantifié. C'était le premier exemple d'un semi-métal Weyl de type II pouvant être transformé en dispositifs d'une seule couche d'épaisseur et exfoliable comme le graphène. WTe 2 a également montré qu'il était supraconducteur sous pression, ce qui signifie que les électrons forment des paires et qu'un supercourant le traverse sans aucune résistance.

En plus de ce carnaval de propriétés, les physiciens théoriciens en 2019 ont envisagé WTe 2 et son matériau frère MoTe 2 être des isolants topologiques d'ordre supérieur avec des états de charnière métalliques. De nombreuses équipes de recherche à travers le monde ont depuis recherché des preuves de ces états exotiques dans WTe 2 et MoTe 2 et certains résultats récents ont montré qu'il existe des états conducteurs supplémentaires à leurs bords. Mais les chercheurs n'ont pas pu identifier s'il s'agissait vraiment d'états de bord ou d'états charnières très recherchés.

Dans une étude publiée dans Matériaux naturels le 6 juillet, 2020, l'équipe dirigée par Kin Chung Fong (Raytheon BBN Technologies), Mazhar N. Ali (Max Plank Institute of Microstructure Physics et aussi Material Mind Inc.), Kam Tuen Law (Hong Kong University of Science and Technology) et Gil-Ho Lee (Pohang University of Science and Technology, et le Centre Asie-Pacifique de physique théorique) a adopté une nouvelle approche en utilisant les jonctions Josephson pour résoudre spatialement le flux de supercourant et pour montrer que WTe 2 semble en effet avoir des états charnières et être un isolant topologique d'ordre supérieur (lien vers le papier).

Les jonctions Josephson sont un dispositif et un outil incroyablement importants en physique. Ils sont utilisés dans une variété d'applications technologiques, y compris les machines d'imagerie par résonance magnétique (IRM) ainsi que dans les qubits, qui sont les blocs de construction des ordinateurs quantiques. Ces jonctions se forment lorsque deux électrodes supraconductrices comme le niobium (Nb) sont reliées par un pont non supraconducteur comme un WTe de haute qualité 2 dans un dispositif à couche mince. Lorsque la température est suffisamment abaissée, le supercourant qui est injecté à partir d'une électrode Nb peut traverser le pont sans résistance à l'autre électrode Nb. Par conséquent, l'ensemble du dispositif montre une résistance nulle et est dit supraconducteur.

Cependant, aucune quantité infinie de supercourant ne peut être envoyée à travers le pont tout en conservant la supraconductivité. Lorsque le courant injecté dépasse un courant critique, la jonction passe à l'état normal et présente une résistance finie. L'effet Josephson indique qu'en fonction du champ magnétique appliqué, the critical current will oscillate in a Fraunhofer pattern between high and low values due to the changing phase of the superconducting wave-function across the sample.

The team realized that hidden in this oscillation is location information of the supercurrent while it travels in the sample. By taking an inverse Fourier transform of the Fraunhofer pattern, the researchers were able to visualize the supercurrent flow in the sample and found that it indeed travels on the sides of the WTe 2 dispositif. Cependant, this was not enough to distinguish the edge states from the hinge states.

As shown in the figure below, due to a quirk in the symmetry-based origin of the hinge states, not all hinges are identical on the WTe 2 échantillon. Par exemple, there are metallic hinge states on top left and bottom right hinges on the sample but not on the top right or bottom left. This is different from an edge state, which would simply be existing on the entirety of the left and right sides of the sample. Regarding this, Kin Chung Fong of Raytheon BBN Technologies explains, "We used this difference to our advantage. By connecting superconducting electrodes on just the top half of the sample and not the bottom half, we realized we would see a different Fraunhofer pattern if hinge states existed and not edge states." He further commented, "In this configuration, electrodes would connect to only one of the hinge states (i.e. top left and not bottom right), which would show a distinct Fraunhofer pattern. If there were edge states, this configuration wouldn't be any different than connecting to both the bottom and top halves of the sample and the Fraunhofer would look the same." When they carried out this challenging experiment, they observed the hallmark of the hinge state, not the edge state.

"But that's not all. WTe 2 is a fairly low-symmetry orthorhombic material with high crystalline anisotropy. The different directions in the crystal are not equivalent and we also theorized and confirmed that the hinge states existing in WTe 2 aren't all equivalent either. In some directions, they mix into the bulk while in other directions they don't, " explained Kam Tuen Law at Hong Kong University of Science and Technology.

"There is a variety of exciting physics to be explored in these compounds in the near future now that hinge states have been found in WTe 2 , " remarked Gil Ho Lee of Pohang University of Science and Technology. He added, "The possibility for dissipationless interconnections, true 1D superconducting nano-wires and spintronics devices, topological superconductivity, Majorana fermions and correspondingly topological quantum computers are all on the horizon."

Mazhar N. Ali at the Max Plank Institute of Microstructure Physics explained, "WTe 2 may be the second material shown to host hinge states, but it is very different from the other candidate, bismuth. Being 2-D, WTe 2 is easily fabricable into nano-devices with controlled surfaces, and can be layered on top of other 2-D materials in heterostructures and even on top of itself when slightly twisted to form a Moire superlattice." He added, "Its sister material MoTe 2 is expected to exhibit the same hinge states but it is an intrinsic superconductor at low temperatures." He concludes, "How can these hinge states be modified, controlled, and used? There are a lot of exciting research opportunities ahead."