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  • Les isolants topologiques présentent une conduction sans perte sur les bords

    Une fine couche atomique de ditellurure de tungstène est située entre deux contacts (en argent). Le courant ne traverse le matériau que dans des canaux très étroits sur les bords extérieurs. Crédit :Département de physique, Université de Bâle

    Des couches atomiquement minces de ditellurure de tungstène semi-métal conduisent l'électricité sans perte le long d'étroites, canaux unidimensionnels sur les bords du cristal. Le matériau est donc un isolant topologique du second ordre. En obtenant la preuve expérimentale de ce comportement, des physiciens de l'Université de Bâle ont élargi le pool de matériaux candidats pour la supraconductivité topologique. Les résultats ont été publiés dans la revue Lettres nano .

    Les isolants topologiques représentent un domaine de recherche clé car ils pourraient potentiellement être utilisés comme supraconducteurs dans l'électronique du futur. Les matériaux de ce genre se comportent comme des isolants à l'intérieur, alors que leurs surfaces ont des propriétés métalliques et conduisent l'électricité. Un cristal tridimensionnel d'un isolant topologique conduit donc l'électricité à sa surface, alors qu'aucun courant ne peut circuler à l'intérieur. De plus, grâce à la mécanique quantique, la conductivité à la surface est presque sans perte - l'électricité est conduite sur de longues distances sans génération de chaleur.

    En plus de ces matériaux, il existe une autre classe connue sous le nom d'isolateurs topologiques de second ordre. Ces cristaux tridimensionnels sont conducteurs, canaux unidimensionnels ne longeant que certains bords cristallins. Les matériaux de ce type sont particulièrement bien adaptés à des applications potentielles en informatique quantique.

    Prédiction théorique

    Les experts supposent que le bismuth semi-métallique présente certaines des propriétés d'un matériau topologique de second ordre. De plus, les chercheurs ont également prédit - à partir de la théorie - que des couches atomiquement minces d'un autre semi-métal, ditellurure de tungstène (WTe 2 ), se comporteront comme des isolants topologiques de second ordre - en d'autres termes, ils conduiront l'électricité sans perte sur les bords tandis que le reste de la couche se comporte comme un isolant.

    L'équipe dirigée par le professeur Christian Schönenberger du Département de physique et de l'Institut suisse des nanosciences de l'Université de Bâle a maintenant analysé de minuscules cristaux de ditellurure de tungstène constitués d'une à 20 couches. Pour déterminer les caractéristiques électriques du matériau, ils y ont attaché des contacts supraconducteurs avant d'appliquer un champ magnétique. Le matériau étant sensible à l'oxydation, les chercheurs ont travaillé dans une boîte spéciale à faible teneur en oxygène et ont recouvert le ditellurure de tungstène d'un autre cristal, qui était stable dans l'air.

    Oscillations caractéristiques

    En analysant le flux de courant dans le cristal principal, les scientifiques ont détecté de nombreuses oscillations lentement décroissantes. "Alors qu'une distribution de courant uniforme conduit à des oscillations rapidement décroissantes, les états de bord extrêmement conducteurs génèrent de fortes oscillations, courants à décroissance lente tels que ceux que nous avons mesurés, " explique le Dr Artem Kononov, premier auteur de l'étude et boursier Georg H. Endress au Département de physique. "La seule explication possible de nos résultats est qu'une grande partie du courant circule le long des bords étroits."

    "Ces observations soutiennent les prédictions théoriques selon lesquelles le ditellurure de tungstène est un matériau topologique d'ordre supérieur. Cela ouvre de nouvelles possibilités pour la supraconductivité topologique, qui pourraient avoir des applications dans des domaines tels que l'informatique quantique, " dit Christian Schönenberger, qui étudie la supraconductivité topologique dans des empilements de certains matériaux bidimensionnels dans le cadre d'un projet ERC.


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