Lors de l'utilisation des rayons X générés par la source lumineuse avancée (ALS), une installation synchrotron au Laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab), étudier un matériau thermoélectrique contenant du bismuth capable de convertir la chaleur en électricité, Le physicien M. Zahid Hasan de l'Université de Princeton a vu que quelque chose interférait avec la vision anticipée du comportement des électrons à l'intérieur du matériau.

Savoir comment les électrons se déplacent au sein de ce matériau était recherché comme clé pour déchiffrer son fonctionnement, donc cette interférence - que lui et son équipe ont observée il y a plus de dix ans lors d'une expérience utilisant une technique basée sur les rayons X baptisée ARPES (spectroscopie de photoémission à résolution angulaire) - était un problème… au début.

« Depuis 2004, J'ai participé à cette recherche à la recherche d'une meilleure compréhension des matériaux thermoélectriques à base de bismuth, entre autres, " dit Hassan.

Vers 2007, après avoir terminé d'autres expériences de rayons X à l'ALS et à d'autres synchrotrons, et après avoir acquis une certaine compréhension de la théorie liée aux observations de son équipe, il deviendrait clair pour Hasan que cette obstruction était en fait une découverte :celle qui déclencherait une révolution dans la recherche sur les matériaux qui se poursuit aujourd'hui, et cela pourrait éventuellement conduire à de nouvelles générations de technologies électroniques et quantiques.

La recherche en matière topologique est désormais un domaine de recherche florissant à l'ALS, avec plusieurs membres du personnel consacrés au soutien des techniques de rayons X qui se concentrent largement sur ses propriétés.

"Depuis 2005, quelque chose en surface m'agaçait un peu, " dit Hassan, un professeur de physique de Princeton qui, fin 2016, est devenu membre du corps professoral invité à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur invité Miller à l'UC Berkeley. "Je ne pouvais pas me débarrasser des états de surface."

De retour à Princeton, Hasan a engagé une conversation avec un collègue professeur de physique, Duncan Haldane, et il a également parlé avec Charles Kane, professeur de physique à l'université voisine de Pennsylvanie, pour leur compréhension théorique collective des effets de surface qu'il voyait dans certains matériaux contenant du bismuth. "À ce moment-là, je n'étais pas au courant des prédictions théoriques."

Ils ont discuté des travaux théoriques, certains datant de plusieurs décennies, qui avait exploré des états "topologiques" bizarres et résilients dans lesquels les électrons pouvaient se déplacer à la surface d'un matériau mince avec presque aucune résistance, comme dans un supraconducteur traditionnel mais avec un mécanisme différent.

Le travail théorique a fourni peu d'indices sur la façon de trouver les effets dans les matériaux présentant ce phénomène, bien que. Hasan s'est donc engagé sur un chemin qui a traversé les domaines de la théorie quantique, la physique des particules, et mathématiques complexes.

"J'ai dû traduire toutes les mathématiques abstraites dans ces expériences, " dit-il. " C'était comme traduire d'une langue étrangère. "

Avance rapide jusqu'en octobre 2016, et cette fois Haldane décrivait ses premiers travaux théoriques lors d'une conférence de presse du prix Nobel. Haldane a partagé le prix Nobel de physique 2016 avec David Thouless de l'Université de Washington (un ancien chercheur postdoctoral au Berkeley Lab), et J. Michael Kosterlitz de l'Université Brown pour leurs travaux sur les « découvertes théoriques des transitions de phase topologiques et des phases topologiques de la matière ».

Haldane avait dit au moment de l'annonce du prix Nobel, "J'ai mis dans le premier article qu'il est peu probable que ce soit quelque chose que quelqu'un puisse faire." Son travail, il a dit, était un "dormeur" qui "s'est assis comme un modèle de jouet intéressant pendant très longtemps - personne ne savait trop quoi en faire".

Ce qui a aidé à donner vie à ce "modèle de jouet", ce sont les théories ultérieures de Kane et de ses collaborateurs, et des études ARPES innovantes à l'ALS et à d'autres synchrotrons qui sondaient directement des états topologiques exotiques dans certains matériaux.

Les synchrotrons comme l'ALS ont des dizaines de lignes de lumière qui produisent des rayons X focalisés et d'autres types de faisceaux lumineux pour une variété d'expériences qui explorent les propriétés de matériaux exotiques et d'autres échantillons à des échelles minuscules, et ARPES offre une fenêtre sur les propriétés électroniques des matériaux.

Le Comité Nobel, dans ses supports pour le prix, avait cité les premières expériences de l'équipe de Hasan à l'ALS sur des matériaux présentant des phases d'isolant topologique. Un isolant topologique agit comme un conducteur électrique en surface et un isolant (sans flux électrique) à l'intérieur.

Zahid Hussein, l'adjoint de division à l'ALS a dit, "Hasan est un scientifique exceptionnel avec une compréhension profonde à la fois de la théorie et de l'expérience. C'est la raison pour laquelle cela est devenu visible expérimentalement. Une expérience l'a fait."

Le travail de Hasan a fourni une première démonstration d'un isolant topologique 3-D, par exemple.

Dans ces matériaux, le mouvement des électrons est relativement robuste, et est immunisé contre de nombreux types d'impuretés et de déformations. Les chercheurs ont trouvé des exemples de propriétés topologiques dans les matériaux, même à température ambiante.

C'est un avantage critique par rapport aux supraconducteurs dits à haute température, qui doit être refroidi à des températures extrêmes afin d'obtenir un flux d'électrons presque sans résistance.

Avec des matériaux topologiques, les électrons présentent des motifs uniques dans une propriété connue sous le nom de spin électronique qui est analogue à une aiguille de boussole pointant vers le haut ou vers le bas, et cette propriété peut changer en fonction du chemin et de la position de l'électron dans un matériau.

Une application future potentielle des propriétés de spin des électrons dans les matériaux topologiques est la spintronique, un domaine émergent qui cherche à contrôler la rotation à la demande pour transmettre et stocker des informations, un peu comme les zéros et les uns de la mémoire informatique traditionnelle.

Le spin pourrait également être utilisé comme support d'information dans les ordinateurs quantiques, qui pourraient éventuellement effectuer exponentiellement plus de calculs d'un certain type en un temps plus court que les supercalculateurs conventionnels.

Jonathan Denlinger, un collaborateur scientifique du Groupe d'Appui Scientifique de l'ALS, a déclaré que les études révolutionnaires sur les matériaux ayant un comportement topologique ont conduit à un changement rapide d'orientation sur les propriétés de surface des matériaux. Les chercheurs s'étaient historiquement plus intéressés aux électrons dans la « masse, " ou à l'intérieur des matériaux.

Le groupe d'Hasan a utilisé trois lignes de lumière ALS :MERLIN, 12.0.1, et 10.0.1 - dans les études ARPES pionnières de la matière topologique. Hasan a été co-responsable de la proposition qui a conduit à la construction de MERLIN au début des années 2000.

Denlinger, et ses collègues scientifiques de l'ALS Alexei Fedorov et Sung-Kwan Mo, travailler sur ces lignes de lumière ALS, qui se spécialisent dans ARPES et une variante connexe appelée spectroscopie photoélectronique résolue en spin. Les techniques peuvent fournir des informations détaillées sur la façon dont les électrons se déplacent dans les matériaux et également sur l'orientation du spin des électrons.

Les lignes de lumière ARPES de l'ALS restent très demandées pour la recherche sur la matière topologique. Fedorov a dit, "Ces jours, presque toutes les propositions soumises à notre ligne de lumière d'une manière ou d'une autre traitent de la topologie."

La quête de découvertes de nouvelles matières topologiques à l'ALS sera également renforcée par une ligne de lumière connue sous le nom de MAESTRO (Observatoire des structures microscopiques et électroniques) qui a été ouverte aux utilisateurs l'année dernière et permettra de visualiser des structures ordonnées exotiques formées dans certains matériaux topologiques.

"ALS-U, une mise à niveau prévue de l'ALS, devrait améliorer et renforcer les études topologiques de la matière à l'aide de l'ALS, " dit Mo. " Cela nous permettra de nous concentrer sur un tout petit point, " qui pourrait révéler plus de détails dans le comportement électronique de la matière topologique.

L'amélioration des performances des rayons X pourrait aider à identifier certains matériaux topologiques qui étaient auparavant négligés, et de mieux distinguer et classer leurs propriétés, dit Hassan.

Les premiers travaux de Hasan en matière topologique, y compris les isolants topologiques, l'a conduit à la détection d'une particule sans masse précédemment théorisée connue sous le nom de fermion de Weyl dans les semi-métaux topologiques, et il conçoit maintenant une expérience connexe qui, espère-t-il, imitera la période de l'univers primitif au cours de laquelle les particules ont commencé à prendre de la masse.

Denlinger, Fedorov, et Mo se préparent pour plus d'études sur la matière topologique, et s'adressent à d'éventuels collaborateurs du Berkeley Lab et de la communauté scientifique mondiale.

Les matériaux à l'échelle nanométrique sont très prometteurs pour les applications de matériaux topologiques, et thermoélectriques - ces mêmes matériaux qui peuvent transférer la chaleur à l'électricité et vice versa, et qui a conduit à la première réalisation de la matière topologique dans les expériences aux rayons X - devrait voir des gains de performances à court terme grâce au rythme effréné de la R&D dans le domaine, Fedorov a noté.

Hassan, trop, dit qu'il est enthousiasmé par les progrès dans le domaine. "Nous sommes au milieu d'une révolution topologique en physique, avec certitude, " il a dit.