Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont cherché des isolants topologiques, matériaux isolants à l'intérieur mais conducteurs de courant sur leurs surfaces. Bien que prévu pour la première fois vers 2005, très peu d'exemples réels ont été trouvés à ce jour. On s'attend à ce que les isolants topologiques aient des applications étendues, y compris l'électronique à haut rendement énergétique et l'informatique quantique - leurs propriétés spéciales permettent au courant de surface de circuler librement même en présence de défauts ou de perturbations.

Jusqu'à maintenant, les scientifiques ont recherché des isolants topologiques parmi des cristaux ou d'autres matériaux dont les atomes sont disposés de façon régulière. Une nouvelle étude, cependant, prédit que des isolants topologiques peuvent également être trouvés parmi les matériaux amorphes, comme certaines formes de verre, dans lequel les atomes sont disposés aléatoirement.

La prédiction, basé sur des modèles informatiques, ouvre de nouvelles voies dans la recherche de ces matériaux. "Maintenant, il y a beaucoup plus d'opportunités pour trouver des isolants topologiques, " dit l'auteur principal Vijay Shenoy de l'Institut indien des sciences (IISc). Les isolants topologiques amorphes peuvent également être plus faciles à fabriquer que les isolants cristallins, qui nécessitent des contrôles stricts, Il suggère. Shenoy et l'étudiant diplômé Adhip Agarwala ont réalisé l'étude publiée dans Lettres d'examen physique .

Les isolants topologiques doivent leurs capacités supérieures à la présence d'états énergétiques spéciaux sur leurs surfaces. Pour que le courant circule dans un matériau, les électrons doivent passer de l'état énergétique de la bande de valence à un état supérieur appelé bande de conduction. Si l'écart entre les bandes est très grand, comme dans les isolateurs normaux, les électrons ne peuvent pas sauter et le courant ne circule pas. À l'intérieur, les isolants topologiques ont une large bande interdite et ne conduisent pas le courant. A leur surface, cependant, les électrons occupent certains états « mid-gap » entre les bandes de valence et de conduction, ce qui leur permet de transporter du courant.

Lorsque ces matériaux ont été prédits pour la première fois, la théorie était basée sur l'hypothèse que la structure matérielle doit être cristalline, dit Shenoy. "Après quelques recherches, nous avons constaté qu'il ne s'agit pas d'une hypothèse cruciale. Ce n'est pas une condition nécessaire pour que vous obteniez une phase topologique, " il dit.

Shenoy et Agarwala ont utilisé des modèles informatiques pour « construire » des structures 2D et 3D dans lesquelles les sites sont disposés de manière aléatoire et les électrons peuvent sauter entre eux. Ensuite, ils ont modifié certains paramètres tels que la distance entre les sites et l'espacement entre les bandes d'énergie. Sous certaines conditions, ils ont découvert que les matériaux présentaient des états intermédiaires à la surface et d'autres signatures mathématiques trouvées dans les isolants topologiques, malgré leur structure aléatoire.

"Les gens n'ont regardé que les matériaux cristallins. Et ils n'ont pas trouvé de très bons isolants topologiques, " dit Agarwala. " Même théoriquement, les gens peuvent maintenant en regarder beaucoup, de nombreuses substances, non seulement des matériaux amorphes. Nous avons montré pour le « pire des cas » où la structure est complètement aléatoire. Nous pouvons penser à beaucoup plus de matériaux entre cristallin et amorphe, et demandez si des isolants topologiques peuvent exister."

Les chercheurs pourraient également examiner d'autres façons de fabriquer des isolants topologiques, suggèrent les auteurs. Une possibilité, par exemple, consiste à ajouter au hasard des atomes avec des niveaux d'énergie appropriés à la surface d'un isolant existant pour donner naissance à des états topologiques.

Les isolants topologiques ont des propriétés spéciales qui les rendent attractifs pour l'électronique. Par exemple, la direction dans laquelle les électrons de surface tournent est verrouillée sur la direction dans laquelle ils se déplacent. Ce verrouillage empêche les défauts ou les impuretés de modifier le spin de l'électron et donc de le faire sortir de sa trajectoire, minimisant ainsi la perte de courant.

"L'un des domaines actifs de la physique de la matière condensée et de la science des matériaux est de trouver de tels matériaux, " dit Shenoy. " Si trouvé, ce sera une découverte importante et pourrait conduire au prochain cycle de l'électronique."