Des physiciens de l'Université de Würzburg ont fait une découverte étonnante dans un type spécifique d'isolants topologiques. L'effet est dû à la structure des matériaux utilisés. Les chercheurs ont maintenant publié leurs travaux dans la revue Science .

Les isolants topologiques sont actuellement le sujet brûlant en physique selon le journal Neue Zürcher Zeitung. Il y a quelques semaines seulement, leur importance a de nouveau été soulignée lorsque l'Académie royale suédoise des sciences de Stockholm a décerné cette année le prix Nobel de physique à trois scientifiques britanniques pour leurs recherches sur les soi-disant transitions de phase topologiques et les phases topologiques de la matière.

Les isolants topologiques sont également étudiés dans les départements de physique expérimentale II et de physique théorique I de l'Université de Würzburg. Cependant, ils se concentrent sur une version spéciale d'isolants appelés isolants cristallins topologiques (TCI). En coopération avec l'Académie polonaise des sciences de Varsovie et l'Université de Zurich, Les physiciens de Würzburg ont maintenant réalisé une percée majeure. Ils ont pu détecter de nouveaux états électroniques de la matière dans ces isolants. Les résultats de leurs travaux sont publiés dans le dernier numéro de Science .

Les bords des marches dirigent les électrons

Le résultat central :lorsque les matériaux cristallins sont divisés, de petites terrasses atomiquement plates émergent au niveau des surfaces séparées qui sont séparées les unes des autres par des bords en gradins. A l'intérieur de ces structures, des canaux conducteurs pour les courants électriques se forment qui sont extrêmement étroits à environ 10 nm et étonnamment robustes contre les perturbations externes. Les électrons voyagent sur ces canaux conducteurs avec un spin différent dans des directions opposées - semblable à une autoroute avec des voies séparées pour les deux directions. Cet effet rend les matériaux intéressants pour des applications technologiques dans les futurs composants électroniques tels que les ordinateurs ultra-rapides et économes en énergie.

« Les TCI sont relativement simples à produire et ils se distinguent déjà des matériaux conventionnels en raison de leur structure cristalline particulière, " Le Dr Paolo Sessi explique le contexte de l'article récemment publié. Sessi est chercheur associé au Département de physique expérimentale II et auteur principal de l'étude. De plus, ces matériaux doivent leur qualité particulière à leurs propriétés électroniques :Dans les matériaux topologiques, la direction du spin détermine la direction dans laquelle les électrons se déplacent. Tout simplement, le "spin" peut être interprété comme un dipôle magnétique pouvant pointer dans deux directions ("vers le haut" et "vers le bas"). Par conséquent, les électrons de spin ascendant dans les TCI se déplacent dans un sens et les électrons de spin descendant dans l'autre sens.

Tout dépend du nombre de couches atomiques

"Mais auparavant, les scientifiques ne savaient pas comment produire les canaux conducteurs nécessaires à cette fin, " dit le professeur Matthias Bode, Chef du Département de physique expérimentale II et co-auteur de l'étude. C'est le hasard qui a mis les chercheurs sur la bonne voie :ils ont découvert que des canaux conducteurs très étroits se produisent naturellement lors de la division du séléniure de plomb-étain (PbSnSe), un isolant cristallin.