C'est l'histoire d'un matériau unique - fait d'un seul composé, il conduit les électrons de différentes manières sur ses différentes surfaces et ne conduit pas du tout en son milieu. C'est aussi l'histoire de trois groupes de recherche - deux à l'Institut des sciences Weizmann et un en Allemagne, et le lien unique qui s'est formé entre eux.

Le matériau appartient à un groupe de matériaux appelés isolants topologiques, découvert il y a une quinzaine d'années. Ces matériaux sont conducteurs sur leurs surfaces et isolants dans leur volume intérieur. Mais les deux propriétés sont indissociables :Couper la matière, et la nouvelle surface sera conductrice, la masse restera isolante.

Il y a cinq ans environ, Le Dr Nurit Avraham débutait en tant que scientifique dans le nouveau groupe du Dr Haim Beidenkopf du Département de physique de la matière condensée de l'Institut. Vers cette époque, elle et Beidenkopf ont rencontré le professeur Binghai Yan lors de sa première visite scientifique à l'Institut Weizmann. À l'époque, Yan travaillait comme chef de groupe junior dans le groupe du professeur Claudia Felser, une scientifique des matériaux qui développait de nouveaux types de matériaux topologiques dans son laboratoire à l'Institut Max Planck de physique chimique des solides à Dresde. Beidenkopf et son groupe sont spécialisés dans la classification et la mesure de ces matériaux à l'échelle des atomes isolés et des trajets des électrons isolés, tandis que Yan se tournait vers la théorie, prédisant comment ces matériaux devraient se comporter et élaborant les modèles mathématiques qui expliquent leur comportement inhabituel.

Avraham et Beidenkopf étaient intéressés à découvrir les propriétés d'un type spécial d'isolant topologique dans lequel la structure chimique est organisée en couches. Comment les couches affecteraient-elles la façon dont les électrons sont conduits à la surface du matériau ? Théoriquement, L'empilement de couches d'isolant topologique 2D devait former un isolant topologique 3D dans lequel certaines des surfaces sont conductrices et d'autres isolantes. Yan a suggéré qu'ils travaillent avec un nouveau matériau qu'il avait prédit et développé plus tard dans le laboratoire de Felser. Bientôt, les groupes Weizmann et Max Planck ont ​​commencé à collaborer.

Avraham a dirigé le projet, obtenir des échantillons du matériau du laboratoire de Felser, effectuer les mesures, et travailler avec Yan pour voir si les prédictions théoriques seraient confirmées expérimentalement. Au fur et à mesure que la collaboration s'approfondit, Beidenkopf et Avraham ont demandé à la Faculté de physique d'inviter à nouveau Yan à l'Institut, et cette visite a finalement conduit Yan à quitter l'Allemagne et à déménager sa famille à Rehovot pour occuper un poste au département de physique de la matière condensée de l'Institut. "Cette décision a été un tournant qui m'a mis sur mon cheminement de carrière actuel, " dit Yan.

Au cours des prochaines années, Beidenkopf, Avraham, Yan et Felser collaboreraient sur plusieurs projets de recherche, explorer les propriétés de plusieurs classes de matériaux topologiques. Mais comprendre ce matériau particulier - un composé de bismuth, tellure et iode, s'avérerait être un projet à long terme. Pour commencer, Yan a analysé la structure de bande du matériau, en d'autres termes, les états que les électrons sont "autorisés" à habiter. Lorsque les bandes se croisent en masse dans un état appelé inversion de bande, ils empêchent les électrons de se déplacer à l'intérieur, mais leur permettre de se déplacer à la surface. Cette "projection" d'un état apparaissant dans la masse d'un matériau sur la surface est ce qui confère aux matériaux topologiques leurs propriétés particulières.

Avraham et Beidenkopf ont travaillé avec des échantillons qui avaient été clivés, exposer des surfaces fraîches hors de la structure en couches. Ils ont utilisé un microscope à effet tunnel (STM) dans leur laboratoire pour suivre la densité électronique dans les différentes parties du matériau. La théorie prévoyait que les mesures de surface révéleraient un matériau qui se comporte comme un faible isolant topologique, étant ainsi métallique sur les bords et isolant sur les surfaces supérieure et inférieure. Les isolants topologiques faibles sont une classe de matériaux topologiques qui avaient été prédits auparavant, mais pas encore prouvé expérimentalement, le groupe espérait donc découvrir de telles propriétés caractéristiques sur les surfaces des bords. Les chercheurs ont fait, En effet, trouvent que le matériau a agi comme un faible isolant topologique sur ses côtés fendus. Mais sur les hauts et les bas de leurs échantillons, le groupe a trouvé des preuves indiquant un fort isolant topologique, plutôt que l'isolant qui avait été prévu.

Ce matériau ne serait-il pas seulement à la fois isolant et conducteur, mais conduire de deux manières différentes ? Alors que les chercheurs continuaient à expérimenter, tester le matériel avec différentes méthodes et confirmer leurs résultats originaux, ils ont continué à perplexe avec Yan sur les résultats étranges. À un moment donné, dit Avraham, ils ont même mesuré un nouveau lot d'échantillons qui ont été cultivés indépendamment par le professeur junior Anna Isaeva et le Dr Alexander Zeugner à la Technische Universitaet Dresden, juste pour être sûr que les résultats étaient généraux et non une propriété accidentelle d'un lot particulier d'échantillons.

Une partie de leur percée éventuelle, dit Yan, est venu d'un article de recherche théorique publié par un autre groupe de physique qui a conjecturé comment un tel matériau double pourrait fonctionner. Les matériaux topologiques sont parfois classés en fonction de leur symétrie, une propriété de la structure atomique du matériau. Les scientifiques ont recherché des endroits sur les surfaces où une telle symétrie serait brisée en raison de défauts ou d'irrégularités sur la surface, lequel, en diffusant des électrons, affecterait les propriétés à cet endroit et mettrait en évidence le type de symétrie protégeant chaque état topologique.

Finalement, la théorie et l'expérience se sont réunies pour montrer, dans un article publié dans Matériaux naturels , que le matériau est, En effet, deux types différents d'isolant topologique en un. Les couches exposées des surfaces latérales fendues créent des « bords en escalier » qui canalisent les électrons dans certains chemins. Alors que les côtés sont protégés à la fois par l'inversion du temps et la symétrie de translation, les hauts et les bas sont protégés par une symétrie miroir cristalline, donnant lieu à un état semblable à un métal dans lequel les électrons peuvent se déplacer.

Bien que cette combinaison deux-en-un ait rendu difficile la classification topologique du matériau - l'un des principaux objectifs de telles mesures - les chercheurs pensent que d'autres nouveaux matériaux topologiques pourraient s'avérer avoir de telles propriétés doubles. Cela ouvre la possibilité aux matériaux d'ingénierie d'avoir plusieurs propriétés électriques souhaitées en une seule.

"Techniquement, le travail était difficile, mais l'histoire, lui-même, s'est avéré simple, " dit Yan.

"C'est aussi l'histoire d'une grande amitié et de ce qui se passe quand on peut avoir une collaboration scientifique aussi étroite, " dit Avraham.

"Et tout a commencé par une question sur un type particulier de matériau, " ajoute Beidenkopf.