L'hétérostructure est constituée de deux matériaux, un isolant topologique (atomes bleus et oranges) et un isolant trivial (atomes verts et oranges). Chaque interface piège des électrons (illustrés comme des fonctions d'onde quantiques par les nuages rouges). Dans leur travail, les chercheurs ont réalisé différents échantillons d'hétérostructure où ils ont pu contrôler la façon dont les électrons tunnel d'interface en interface dans la pile, formant un émergent, réseau quantique unidimensionnel accordable. Les chercheurs ont découvert une phase topologique émergente de la matière, où il y avait un nuage d'électrons à la fin de la pile sans partenaire d'appariement, formant un état final topologiquement protégé qui est étroitement lié au célèbre modèle théorique de Su-Schrieffer-Heeger du réseau topologique unidimensionnel. Crédit :I. Belopolski, université de Princeton
Une équipe internationale de chercheurs a créé une nouvelle structure qui permet le réglage des propriétés topologiques de manière à activer ou désactiver ces comportements uniques. La structure pourrait ouvrir des possibilités pour de nouvelles explorations des propriétés des états topologiques de la matière.
« C'est une nouvelle direction passionnante dans la recherche sur la matière topologique, " dit M. Zahid Hassan, professeur de physique à l'Université de Princeton et chercheur au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie qui a dirigé l'étude, qui a été publié le 24 mars dans la revue Avancées scientifiques . "Nous concevons de nouveaux états topologiques qui ne se produisent pas naturellement, ouvrant de nombreuses possibilités exotiques pour contrôler les comportements de ces matériaux."
La nouvelle structure consiste en une alternance de couches topologiques et normales, ou banal, isolants, une architecture qui permet aux chercheurs d'activer ou de désactiver le flux de courant à travers la structure. La capacité de contrôler le courant suggère des possibilités de circuits basés sur des comportements topologiques, mais peut-être plus important encore, présente une nouvelle structure de réseau cristallin artificiel pour étudier les comportements quantiques.
Les théories derrière les propriétés topologiques de la matière ont fait l'objet du prix Nobel de physique 2016 décerné à F. Duncan Haldane de l'Université de Princeton et à deux autres scientifiques. Une classe de matière est celle des isolants topologiques, qui sont des isolants à l'intérieur mais permettent au courant de circuler sans résistance sur les surfaces.
Dans la nouvelle structure, les interfaces entre les couches créent un réseau unidimensionnel dans lequel des états topologiques peuvent exister. La nature unidimensionnelle du réseau peut être considérée comme si l'on devait couper dans le matériau et retirer une tranche très fine, puis regardez le bord fin de la tranche. Ce réseau unidimensionnel ressemble à une chaîne d'atomes artificiels. Ce comportement est émergent car il n'apparaît que lorsque de nombreuses couches sont empilées.
En changeant la composition des couches, les chercheurs peuvent contrôler le saut de particules de type électron, appelés fermions de Dirac, à travers la matière. Par exemple, en rendant la couche d'isolant trivial relativement épaisse - encore seulement environ quatre nanomètres - les fermions de Dirac ne peuvent pas la traverser, faisant de la structure entière effectivement un isolant trivial. Cependant, si la couche d'isolant trivial est mince - environ un nanomètre - les fermions de Dirac peuvent tunneler d'une couche topologique à l'autre.
Pour façonner les deux matières, l'équipe de Princeton a travaillé avec des chercheurs de l'Université Rutgers dirigés par Seongshik Oh, professeur agrégé de physique, qui en collaboration avec Hasan et d'autres ont montré en 2012 dans des travaux publiés dans Lettres d'examen physique celui d'ajouter de l'indium à un isolant topologique, séléniure de bismuth, l'a fait devenir un isolant trivial. Avant cela, le séléniure de bismuth (Bi2Se3) a été théoriquement et expérimentalement identifié comme un isolant topologique par l'équipe de Hasan qui a été publié dans La nature en 2009.
"Nous avions montré que, selon la quantité d'indium que vous ajoutez, le matériau résultant avait cette belle propriété accordable d'isolant trivial à topologique, " Oh dit, référence à l'étude de 2012.
Les étudiants diplômés Ilya Belopolski de Princeton et Nikesh Koirala de Rutgers ont combiné deux techniques de pointe avec le développement d'une nouvelle instrumentation et ont travaillé ensemble sur la superposition de ces deux matériaux, séléniure de bismuth et séléniure de bismuth d'indium, pour concevoir la structure optimale. L'un des défis consistait à faire correspondre les structures en treillis des deux matériaux afin que les fermions de Dirac puissent sauter d'une couche à l'autre. Belopolski et Suyang Xu ont travaillé avec des collègues de l'université de Princeton, Lawrence Berkeley National Laboratory et plusieurs institutions utiliseront la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire pour optimiser le comportement des fermions de Dirac sur la base d'une boucle de rétroaction de la croissance à la mesure.
Bien qu'aucun état topologiquement similaire n'existe naturellement, les chercheurs notent qu'un comportement analogue peut être trouvé dans une chaîne de polyacétylène, qui est un modèle connu de comportement topologique unidimensionnel tel que décrit par le modèle théorique de 1979 de Su-Schrieffer-Heeger d'un polymère organique.
La recherche présente une incursion dans la fabrication de matériaux topologiques artificiels, dit Hassan. "Dans la nature, quel que soit le matériau, isolant topologique ou non, tu es coincé avec ça, " a déclaré Hasan. " Ici, nous réglons le système de manière à pouvoir décider dans quelle phase il devrait exister; nous pouvons concevoir le comportement topologique."
La capacité de contrôler le déplacement des fermions de Dirac semblables à la lumière pourrait éventuellement conduire les futurs chercheurs à exploiter le flux de courant sans résistance observé dans les matériaux topologiques. "Ces types d'hétérostructures topologiquement accordables sont un pas vers des applications, fabriquer des dispositifs où les effets topologiques peuvent être utilisés, ", a déclaré Hassan.
Le groupe Hasan prévoit d'explorer davantage les moyens d'ajuster l'épaisseur et d'explorer les états topologiques en lien avec l'effet Hall quantique, supraconductivité, magnétisme, et les états de la matière des fermions de Majorana et de Weyl.
