Des scientifiques du US Naval Research Laboratory (NRL) ont rapporté la première comparaison directe de la polarisation de spin générée dans les états de Dirac topologiquement protégés d'un isolant topologique (TI) séléniure de bismuth (Bi2Se3) et du gaz d'électrons bidimensionnel trivial (2DEG) états à la surface de l'arséniure d'indium (InAs).

L'équipe de recherche du LNR a sélectionné les deux matériaux pour distinguer clairement les contributions de polarisation des états de surface linéaire Dirac et parabolique 2DEG. Des structures de dispositifs identiques et des mesures ont été effectuées sur chacun :Bi2Se3, un isolant topologique connu pour avoir à la fois des états de surface linéaires de Dirac et triviaux de 2DEG ; et InAs, un semi-conducteur commun qui ne présente que les états de surface triviaux 2DEG.

Dans chaque cas, la polarisation de spin est générée spontanément par un courant de polarisation non polarisé, et détecté à l'aide de contacts métalliques ferromagnétiques avec une barrière tunnel d'oxyde. Les chercheurs ont démontré que le signe de la polarisation de spin de ces deux contributions est opposé, confirmer les prédictions théoriques et établir InAs comme échantillon de référence commun pour les futures expériences.

L'équipe a également développé un modèle détaillé basé sur des potentiels électrochimiques dépendants du spin pour dériver explicitement le signe de la tension de spin attendue pour les états de surface TI, ce qui corrobore leurs observations expérimentales et leurs prédictions théoriques antérieures.

"Détecter cette polarisation de spin directement sous forme de tension, et en différenciant les apports de ces deux systèmes fondamentalement différents, est la clé pour comprendre les propriétés de base des matériaux TI et les interfacer avec des circuits électroniques pour de futures applications d'appareils », note le Dr Connie Li, auteur principal de l'étude. Dr Berend Jonker, scientifique principal et chercheur principal, souligne "La coexistence de ces états 2DEG dans les systèmes TI a généré une controverse considérable dans le signe de la tension de spin mesurée. InAs fournit un largement disponible, échantillon de référence simplement préparé que les groupes de recherche du monde entier peuvent utiliser pour comparer des mesures de polarisation similaires à l'avenir."

Les isolants topologiques constituent une nouvelle phase quantique de la matière où la masse est nominalement un isolant, mais la couche de surface est occupée par des états métalliques à dispersion linéaire peuplés de fermions de Dirac sans masse qui sont topologiquement protégés des perturbations de leur environnement. L'existence de cette classe de matériaux a été prédite à partir de l'étude de la « topologie, " une branche des mathématiques qui décrit des propriétés qui ne changent que progressivement. Le prix Nobel de physique 2016 a été décerné à trois physiciens pour avoir utilisé des concepts topologiques pour étudier des phases exotiques de la matière qui manifestent de nouvelles propriétés quantiques susceptibles d'améliorer l'électronique future, supraconducteurs, et conduire aux ordinateurs quantiques.

L'une des propriétés les plus frappantes des isolants topologiques est celle du verrouillage spin-impulsion - le spin d'un électron dans l'état de surface de TI Dirac est verrouillé perpendiculairement à son impulsion. Cela implique par conséquent que lorsqu'un courant de charge non polarisé circule dans les états de surface topologiquement protégés, une polarisation nette du spin électronique devrait apparaître spontanément.

L'accès électrique à ces états est parfois compliqué par une courbure potentielle de la bande à la surface TI qui peut conduire à une accumulation de charges et à la formation d'états 2DEG triviaux avec une dispersion d'énergie parabolique. Ces états 2DEG s'imbriquent et coexistent avec les états linéaires de Dirac, et peut également générer une polarisation de spin due à un fort couplage spin-orbite de Rashba, une division des bandes de spin en fonction de la quantité de mouvement dans les systèmes de matière condensée bidimensionnels. Leur texture de rotation hélicoïdale, ou signe de la polarisation induite, cependant, est prédit comme opposé à celui des états TI Dirac, et avec une plus petite amplitude.

La découverte de l'équipe est une étape essentielle dans la manipulation électrique des spins dans les dispositifs quantiques basés sur l'IT et le couplage spin-orbite de nouvelle génération.