Un groupe de physiciens du MIPT et du Landau Institute for Theoretical Physics de l'Académie des sciences de Russie font maintenant un pas de plus vers la recherche d'applications pour les isolants topologiques, des matériaux dotés de propriétés électriques remarquables, qui jusqu'à récemment, étaient considérés comme purement hypothétiques. Les chercheurs ont mieux compris l'interaction entre les atomes d'impuretés magnétiques dans de tels matériaux.

Les isolants topologiques sont une découverte majeure de la physique du 21e siècle. Ils ont d'abord été prédits théoriquement et seulement ensuite observés expérimentalement. La plupart de ces matériaux présentent un comportement typique des semi-conducteurs. Mais leurs propriétés en surface (au bord) sont très proches de celles des métaux. Par exemple, le courant électrique peut circuler librement sur leurs surfaces. Leurs propriétés uniques devraient être utiles pour la construction de circuits électroniques avec une perte de chaleur minimale, ordinateurs quantiques, et d'autres appareils avancés.

Cependant, réaliser des dispositifs pratiques à base d'isolants topologiques, il est nécessaire de comprendre comment leurs propriétés sont affectées par les imperfections structurelles, comme la présence d'atomes avec un moment magnétique non nul. Le moment magnétique d'un atome caractérise la force du champ magnétique que l'atome est capable de créer.

L'interaction entre les atomes avec des moments magnétiques - ceux-ci incluent le fer et le manganèse - a été étudiée dans de nombreuses études. Il peut se produire dans les métaux et est alors appelé interaction Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida, en l'honneur des quatre physiciens théoriciens qui l'ont étudié dès le milieu des années 1950. Il se produit également dans les semi-conducteurs, auquel cas il s'agit de l'interaction d'échange indirect. Ce type a été initialement étudié théoriquement par Bloembergen et Rowland en 1955. Une autre contribution significative à l'étude de l'interaction d'échange indirect a été apportée par A. Abrikosov, un physicien soviétique et américain et lauréat du prix Nobel qui a abordé les questions fondamentales de la physique de la matière condensée. Comprendre l'interaction d'échange indirect, c'est-à-dire l'énergie de liaison entre les atomes magnétiques et sa dépendance à la température et à la distance entre les atomes permet aux scientifiques de prédire comment les moments magnétiques de ces atomes seront alignés à basse température dans un matériau donné.

Dans leur nouveau papier, qui a été publié dans Examen physique B , les chercheurs ont examiné l'interaction entre des atomes avec des moments magnétiques non nuls près du bord d'un isolant topologique bidimensionnel. Igor Burmistrov, chercheur à l'Institut de physique théorique de Landau, et Pavel et Vladislav Kurilovich, étudiants de la Section de Problèmes de Physique Théorique du Département de Physique Générale et Appliquée, MIPT, ont étudié l'interaction d'échange indirect entre atomes de manganèse dans un isolant topologique bidimensionnel basé sur un puits quantique CdTe/HgTe/CdTe.

La notion de "puits quantique" signifie qu'une fine couche de tellurure de mercure, ou HgTe, est pris en sandwich entre deux couches de tellurure de cadmium, CdTe. Les deux composés ont des propriétés quantiques différentes confinant les électrons dans la couche de tellurure de mercure. Elles sont, dans un sens, piégés au fond du puits et incapables d'en sortir à moins d'avoir une énergie spécifique.

Burmistrov dit, "Les deux atomes avec des moments magnétiques peuvent interagir de différentes manières, selon leurs positions :Si les deux sont près du bord, ils se comportent comme s'ils étaient dans un métal, mais quand les deux sont situés loin du bord, ils interagissent comme ils le font dans un semi-conducteur."

Le chercheur a également expliqué ce qui rend les isolants topologiques bidimensionnels spéciaux :« Dans un isolant topologique bidimensionnel, les quasiparticules se déplacent dans un plan parce que l'énergie de quantification de la taille est plus élevée dans le puits quantique. » Un système est dit quantifié lorsque son énergie ne peut prendre que des valeurs discrètes, et la quantification de la taille fait référence au moment où cela se produit en raison de la taille limitée du système. Les particules dans les films minces se comportent différemment de la façon dont elles se comportent dans les systèmes classiques, comme un morceau de fil de cuivre ou un cristal semi-conducteur.

L'analyse théorique, le plus important, a abouti à la prédiction d'un nouveau type d'interactions d'échange indirect entre atomes avec des moments magnétiques dans un isolant bidimensionnel. D'un côté, elle est similaire à l'interaction analogue dans les métaux; d'autre part, cela ressemble à ce qui se passe généralement dans les semi-conducteurs. Une telle combinaison inhabituelle domine l'interaction entre les paires d'atomes magnétiques, dont l'un est près du bord et un autre loin de celui-ci. Malgré le fait que ces découvertes théoriques n'ont pas d'applications immédiates, ils sont importants pour d'autres études de l'effet des atomes magnétiques sur le courant électrique le long du bord d'un isolant topologique bidimensionnel.