Dans une nouvelle découverte surprenante, alpha-étain, communément appelé étain gris, présente une nouvelle phase électronique lorsque sa structure cristalline est déformée, le plaçant dans une nouvelle classe rare de matériaux 3D appelés semi-métaux topologiques de Dirac (TDS). Seuls deux autres matériaux TDS sont connus pour exister, découvert aussi récemment qu'en 2013. Alpha-tin rejoint maintenant cette classe en tant que seul membre à élément simple.

Cette découverte est prometteuse pour une nouvelle physique et de nombreuses applications potentielles en technologie. Les découvertes sont l'œuvre de Caizhi Xu, un étudiant diplômé en physique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, travaillant sous U. of I. Professeur Tai-Chang Chiang et en collaboration avec des scientifiques de Advanced Light Source au Lawrence Berkeley National Laboratory et six autres institutions à l'échelle internationale.

Les TDS présentent des propriétés électroniques similaires à celles des isolants topologiques (TI) maintenant très étudiés sur leurs surfaces. Les surfaces des TI permettent aux électrons de conduire librement comme un métal, tandis que le "vrac" ou l'intérieur se comporte comme un isolant. Les électrons de surface se comportent comme des fermions de Dirac polarisés en spin sans masse 2D qui sont robustes contre les impuretés non magnétiques, ce qui donne des applications potentielles dans les dispositifs spintroniques et l'informatique quantique tolérante aux pannes.

Par contre, les électrons massifs dans les TDS se comportent comme des fermions de Dirac sans masse dans les trois dimensions, ce qui conduit à des possibilités supplémentaires pour de nouveaux comportements physiques.

Xu explique, "Les TDS sont d'un grand intérêt pour les physiciens de la matière condensée, principalement parce qu'ils présentent un certain nombre de nouvelles propriétés physiques, y compris la mobilité ultra-haute des transporteurs, magnétorésistance linéaire géante, anomalie chirale, et de nouvelles oscillations quantiques. Deuxièmement, cette classe de matériaux peut réaliser de nombreuses phases topologiques intéressantes - dans des conditions contrôlées, le matériau peut subir des transitions de phase et devenir un isolant topologique, un semi-métal de Weyl, ou un supraconducteur topologique."

L'étain possède deux allotropes bien connus :à 13,2° Celsius et plus, étain blanc, ou bêta-étain, est métallique. En dessous de cette température, la structure atomique des transitions d'étain, et la matière devient étain gris, ou alpha-étain, qui est semi-métallique. Dans des films minces cultivés sur un substrat tel que l'antimoniure d'indium (InSb), cependant, la température de transition de l'étain monte jusqu'à 200°C, ce qui signifie que l'alpha-étain reste stable bien au-dessus de la température ambiante.

Normalement, La structure cristalline diamant-cubique de l'alpha-étain présente une phase semi-métallique ordinaire et le matériau n'a pas d'utilisations communes à l'heure actuelle. En réalité, l'étain gris peut être problématique dans de nombreuses applications qui impliquent l'étain - le problème appelé « parasite de l'étain » est la formation d'étain gris qui provoque la désintégration des pièces contenant de l'étain blanc.

Dans leur expérience, Xu et al. a conçu une contrainte sur le matériau en faisant croître des échantillons d'alpha-étain en couches sur un substrat d'un autre matériau cristallin, InSb, qui a une constante de réseau légèrement différente.

"Cette inadéquation du réseau entraîne une tension, ou compressé, dans l'alpha-étain, " Xu poursuit en expliquant. " On croyait que la contrainte ouvrirait une bande interdite dans l'étain gris et le transformerait en un TI. Dans quelques études récentes, les chercheurs ont observé des états de surface topologiques dans l'étain contraint, mais ils n'ont pas observé la bande interdite induite par la contrainte car ils n'étaient pas en mesure d'accéder à la bande de conduction. Dans cette étude, nous avons utilisé le dopage au potassium et avec cette méthode simple, nous avons pu atteindre la bande de conductance. Nous avons pu voir la dispersion de bande sans faille et linéaire qui est la marque d'un semi-métal Dirac.

"Cette découverte est assez inattendue. J'ai décidé d'étudier le matériau en raison de sa phase TI connue. Une fois que j'ai creusé dans les résultats expérimentaux et effectué quelques calculs théoriques, ce que j'ai trouvé, c'est que l'alpha-étain sous contrainte de compression n'est pas un isolant, comme on l'avait pensé. Il s'agit d'un semi-métal Dirac. Nos calculs montrent également que ce n'est que sous une contrainte de traction que l'alpha-étain devient un TI."

Chiang pense que ces découvertes ouvriront de nouvelles voies de recherche :« Les travaux de Caizhi Xu illustrent qu'une nouvelle physique intéressante peut encore être trouvée dans des matériaux communs simples, comme l'étain gris, qui est connu et étudié depuis des décennies."

"Il ressort clairement de cette étude que l'ingénierie des contraintes peut ouvrir de nombreuses possibilités, " poursuit Chiang. " Mon groupe explore actuellement une autre façon d'appliquer la tension, en étirant mécaniquement un échantillon. La déformation sera uniaxiale - dans une seule direction - et elle sera réglable, mais limité par la casse de l'échantillon."

L'humanité a extrait et utilisé l'étain dans les alliages depuis l'âge du bronze, c. 3000 AVANT JC. Avant l'avènement des canettes en aluminium, des boîtes de conserve, qui étaient en fait de l'acier doublé d'étain, étaient utilisés pour la conservation des aliments. Avec cette découverte, l'alpha-étain peut s'avérer un matériau très utile dans les technologies futures.

Xu partage, « Les applications potentielles de l'alpha-étain en tant que semi-métal topologique de Dirac pourraient inclure l'exploitation de sa mobilité élevée des porteurs pour générer des dispositifs électroniques ultrarapides. De plus, la résistance magnéto géante pourrait être utile dans le développement de dispositifs de stockage ultra-compacts, comme les disques durs des ordinateurs.

"En outre, ce matériau pourrait être une plate-forme pour d'autres recherches fondamentales liées aux propriétés optiques, ou pour transporter des biens, y compris la supraconductivité. Il est même possible qu'il puisse être utilisé comme plate-forme pour réaliser des fermions de Majorana. Je pense que notre nouvelle découverte intéressera de nombreux physiciens."

Ces résultats sont publiés dans le 4 avril 2017 Lettres d'examen physique , dans l'article "Semi-métal topologique Dirac élémentaire α-Sn sur InSb."