Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo vérifient expérimentalement l'existence d'états de conduction de surface exotiques dans les semi-métaux topologiques (TSM), les matériaux qui se trouvent à la frontière entre les conducteurs et les isolants, en effectuant des balayages de tension de ces états de surface sur un échantillon de film mince d'un TSM. Les résultats peuvent ouvrir la voie à une étude et à une exploitation futures de tels états de conduction dans la réalisation de nouveaux, phénomènes de transport quantique.

Nous connaissons probablement tous l'idée de conducteurs et d'isolants. Mais comment appelleriez-vous un matériau qui peut conduire en surface mais isoler à l'intérieur ? Les physiciens l'appellent « isolant topologique » (TI), un terme qui met en évidence l'aspect géométrique de son étrange comportement de conduction. Encore plus étranges que les TI sont les « semi-métaux topologiques » (TSM) – des matériaux étranges qui chevauchent la frontière entre les métaux (conducteurs) et les isolants.

Alors que les TI ont trouvé des applications pratiques grâce à leurs propriétés inhabituelles, notamment dans les dispositifs optoélectroniques avancés, Les TSM sont encore largement une curiosité parmi les scientifiques des matériaux. « Dans les TI, les états de conduction de surface peuvent être isolés des états d'isolation de masse, alors que dans les TSM typiques, tels que les semi-métaux de Dirac et Weyl, les états de volume et de surface se touchent à des points appelés « nœuds de Weyl, ' conduisant à une interaction entre eux, " explique le professeur agrégé Masaki Uchida du Tokyo Institute of Technology, Japon, dont les recherches portent sur les matériaux topologiques.

Selon les prédictions théoriques, une conséquence intéressante d'une telle interaction est la formation d'une paire couplée d'"orbites de Weyl" électroniques sous un champ magnétique sur les surfaces opposées d'un TSM qui peut conduire à un nouveau transport quantique 2D. Cependant, la vérification expérimentale des orbites de Weyl a, jusque là, est resté difficile en raison de l'absence apparente d'une signature unique. Maintenant, une nouvelle étude par une équipe de scientifiques du Japon, dirigé par le Dr Uchida, pourrait changer tout cela.

Publié dans Communication Nature , l'étude se concentre sur la distribution spatiale unique des orbites de Weyl. Spécifiquement, les scientifiques ont réalisé une cartographie des états de l'orbite de Weyl "Quantum Hall" (QH) sous l'influence de tensions électriques appliquées sur la surface supérieure et inférieure d'un échantillon TSM comprenant un film de 75 nm d'épaisseur de (Cd 1 fois Zn X ) 3 Comme 2 . "L'observation clé pour distinguer l'orbite de Weyl d'une orbite de type TI est la réponse du transport de surface aux champs électriques appliqués dans une configuration de dispositif à double porte, " dit le Dr Uchida.

Les scientifiques ont commencé par étudier la dépendance du champ magnétique de la résistance du film à des tensions de déclenchement nulles à une température de 3K (270 °C) et se sont assurés que le film était suffisamment épais pour permettre la formation des orbites de Weyl. Initialement, le transport en vrac dominait la conduction en raison d'une densité électronique élevée. Cependant, alors que les scientifiques ont épuisé les électrons en appliquant des tensions de déclenchement, le transport de surface et son évolution vers les états QH sont devenus plus importants.

Prochain, les scientifiques ont étudié l'influence des balayages de tension de déclenchement sur ces états QH en présence d'un fort champ magnétique et ont observé un motif rayé particulier dans les états cartographiés en raison d'une modulation de leur densité électronique, suggérant la présence d'une paire d'orbites couplées de Weyl !

L'équipe de recherche est ravie de cette découverte. Un Dr Uchida enthousiaste conclut, "Notre travail révélant le rôle de la distribution unique des orbites de Weyl dans le transport quantique peut ouvrir la voie à la découverte de divers phénomènes de transport de surface exotiques dans les TSM et à leur contrôle via des champs externes et l'ingénierie d'interface."

La chasse à ces nouveaux phénomènes quantiques est lancée, avec des découvertes nouvelles et passionnantes juste au coin de la rue.