Figure 1. Souvent, Les propriétés TI 3D sont étudiées expérimentalement à l'aide de systèmes modèles tels que des monocristaux ou des couches minces épitaxiales (a). Notre approche est celle d'un matériau en vrac nanograiné (b) à partir d'une synthèse chimique humide évolutive (c). Les nanoparticules compactées présentent un réseau percolant de porteurs Dirac aux interfaces et aux joints de grains, comme on le voit dans le transport DC (d). La spectroscopie THz dans le domaine temporel (e) met en évidence la dominance des porteurs Dirac sur les vraquiers par une résonance plasmonique (f). Crédit :DOI :10.1002/smll.202103281
Les isolants topologiques tridimensionnels sont des matériaux qui peuvent conduire le courant électrique sans résistance, mais uniquement à leur surface. Cependant, cet effet est difficile à mesurer. En effet, ces matériaux ont généralement peu de surface par rapport à leur volume, ce qui signifie que leurs propriétés de transport sont dominées par les transporteurs de charges en vrac.
Les physiciens de l'Université de Bielefeld ont maintenant réussi à développer des isolants topologiques à base de minuscules nanoparticules et ont ainsi pu démontrer le transport de charges à la surface. L'étude a été menée en coopération avec des chercheurs de l'Université de Duisburg-Essen et de l'Institut Leibniz pour la recherche sur les solides et les matériaux de Dresde. Les scientifiques ont publié leurs résultats aujourd'hui dans la revue Petit .
Les isolants topologiques ont des propriétés qui ne peuvent être décrites que par la physique quantique. La particularité de ces matériaux quantiques est que leur masse ne conduit pas du tout ou très mal l'électricité, tandis que les porteurs de charge peuvent se déplacer sans interférence dans les canaux de transport protégés à leur surface. Le tellurure de bismuth composé est un matériau avec de tels canaux de transport protégés.
"Des échantillons macroscopiquement grands de ces isolants topologiques tridimensionnels, cependant, ont un volume très élevé par rapport à leur surface. Par conséquent, il y a beaucoup plus de transporteurs de charge en vrac, ce qui signifie que leur mauvais transport de charge domine le transport de charge en surface, " déclare le professeur Dr. Gabi Schierning du groupe de recherche sur les couches minces et la physique des nanostructures de l'université de Bielefeld. " Même si les propriétés de transport spéciales des isolants topologiques tridimensionnels sont prédites en théorie, il est difficile de les examiner expérimentalement.
Pour contourner ce problème, les scientifiques utilisent des nanoparticules. Parce que ces particules sont si petites, ils ont une grande surface par rapport à leur volume. Schierning et ses collègues ont maintenant compressé des nanoparticules de tellurure de bismuth en pastilles de cinq millimètres de large et 0,5 millimètre d'épaisseur et ont produit un isolant topologique tridimensionnel composé de nano unités.
Échantillons de matériaux macroscopiques avec de nombreuses interfaces
"Avec cette astuce, nous avons réussi à créer des échantillons de matériaux macroscopiques avec un grand nombre d'interfaces et de surfaces. Notre étude montre que les porteurs de charge protégés sur ces surfaces peuvent être examinés et que le courant électrique y est très bien conduit, " dit Sepideh Izadi, doctorant dans le groupe de recherche de Schierning et auteur principal de l'étude. Schierning ajoute que « leur conception de matériaux spéciaux nous a permis de découvrir des propriétés que nous connaissons de la théorie mais que nous ne pouvions pas voir auparavant. C'est ce qui rend le travail si spécial pour moi.
L'étude a été menée en étroite collaboration avec des scientifiques de l'Université de Duisburg-Essen et de l'Institut Leibniz pour la recherche sur l'état solide et les matériaux de Dresde. D'abord, les échantillons de matériaux ont été préparés dans le groupe de recherche du professeur Dr. Stephan Schulz de l'université de Duisburg-Essen. Cela a demandé beaucoup de travail :les nanoparticules doivent avoir des surfaces très propres, par exemple, et ne pas réagir avec l'environnement. "Il faut aussi qu'ils soient réunis pour qu'ils collent les uns aux autres - comme construire un château de sable - mais en même temps, ils ne doivent pas être tellement compactés que les canaux de transport protégés sur les interfaces soient perdus, " dit Schierning.
Les chercheurs ont ensuite utilisé diverses méthodes pour étudier le transport de charges sur les interfaces et les surfaces. Avec des collègues de l'Institut Leibniz pour la recherche sur l'état solide et les matériaux à Dresde, par exemple, les scientifiques de Bielefeld ont mesuré dans quelle mesure l'échantillon de matériau conduit le courant dans différentes conditions, comme à différentes températures ou avec différents champs magnétiques. "Les résultats sont une indication claire des mécanismes de transport d'un isolant topologique tridimensionnel, " dit Schierning.
Les investigations ont été complétées par la spectroscopie térahertz, dont l'équipe de recherche du professeur Dr. Martin Mittendorff de l'Université de Duisburg-Essen était responsable. Dans ce processus, l'échantillon est excité avec des ondes électromagnétiques dans la gamme des térahertz et le rayonnement réfléchi est mesuré. Ici, trop, des phénomènes spéciaux ont été observés qui ne se produisent que dans des isolants topologiques tridimensionnels - et même à des températures aussi basses qu'environ moins 70 degrés Celsius, températures assez élevées pour un tel effet.
"Notre étude montre que les isolants topologiques tridimensionnels peuvent être réalisés à une échelle macroscopique et montrer leurs propriétés à des températures relativement élevées. Il s'agit d'une étape importante dans la recherche fondamentale, et qui pourrait également être important pour des applications potentielles - mais nous en sommes encore loin, " dit Schierning. Les isolants topologiques tridimensionnels pourraient être utilisés dans les ordinateurs quantiques, par exemple.
