Les physiciens de BESSY II ont étudié une classe de matériaux qui présentent des caractéristiques d'isolants topologiques. Au cours de ces études, ils ont découvert une transition entre deux phases topologiques différentes, dont l'un est ferroélectrique, c'est-à-dire une phase dans le matériau qui présente une polarisation électrique spontanée et peut être inversée par un champ électrique externe. Cela pourrait également conduire à de nouvelles applications telles que la commutation entre différentes conductivités.

Les chercheurs du HZB ont étudié des films semi-conducteurs cristallins en plomb, alliage d'étain et de sélénium (PbSnSe) qui ont été dopés avec de petites quantités de l'élément bismuth. Ces semi-conducteurs appartiennent à une nouvelle classe de matériaux appelés isolants topologiques, matériaux qui conduisent très bien à leurs surfaces tout en se comportant comme des isolants en interne. Le dopage avec 1 à 2 % de bismuth leur a permis d'observer une nouvelle transition de phase topologique. L'échantillon passe à une phase topologique particulière qui présente également de la ferroélectricité. Cela signifie qu'un champ électrique externe déforme le réseau cristallin, alors qu'à l'inverse, les forces mécaniques sur le réseau peuvent créer des champs électriques.

L'effet peut être utilisé pour développer de nouvelles fonctionnalités, ce qui est également intéressant pour des applications potentielles. Des matériaux ferroélectriques à changement de phase sont utilisés dans les DVD et les mémoires flash, par exemple. Une tension électrique déplace des atomes dans le cristal, transformer le matériau isolant en un matériau métallique.

Le dopage au bismuth dans les films PbSnSe étudiés au HZB a servi de perturbation. Le nombre d'électrons dans le bismuth ne correspond pas bien à l'arrangement périodique des atomes dans le cristal de PbSnSe. "De minuscules changements dans la structure atomique donnent lieu à des effets fascinants dans cette classe de matériaux, " dit le chercheur du HZB, le Dr Jaime Sánchez-Barriga, chercheur principal coordonnant le projet.

Après des analyses détaillées des mesures, les chercheurs ont conclu que le dopage au bismuth provoque une distorsion ferroélectrique dans le réseau qui modifie également les niveaux d'énergie admissibles des électrons. "Ce problème nous a laissé perplexes pendant plusieurs temps de faisceau jusqu'à ce que nous reproduisions les résultats scientifiques sur un tout nouvel ensemble d'échantillons, ", dit Sánchez-Barriga. "Des applications potentielles pourraient survenir grâce aux phases ferroélectriques, auxquelles on n'avait pas pensé auparavant. La conduction électrique sans perte dans les matériaux topologiques peut être activée et désactivée à volonté par des impulsions électriques ou par une contrainte mécanique, " dit le professeur Oliver Rader, dirige le département Matériaux pour la spintronique verte chez HZB.