Isolateurs topologiques, une classe de matériaux étudiés depuis un peu plus d'une décennie, ont été annoncés comme un nouveau « matériau merveilleux », tout comme le graphène. Mais si loin, les isolants topologiques n'ont pas tout à fait répondu aux attentes alimentées par les études théoriques. Les physiciens de l'Université de Groningue ont maintenant une idée du pourquoi. Leur analyse a été publiée le 27 juillet dans la revue Examen physique B .

Les isolants topologiques sont des matériaux isolants dans la masse mais permettant à la charge de s'écouler à travers la surface. Ces états conducteurs à la surface proviennent de motifs d'ordre dans les états où résident les électrons qui sont différents des matériaux ordinaires. Cet ordre est lié au concept physique de « topologie », analogue à celui utilisé en mathématiques. Cette propriété donne lieu à des états très robustes avec des propriétés particulières.

Atomes lourds

Pour un, leur spin - une propriété magnétique des électrons qui peut avoir les valeurs " vers le haut " ou " vers le bas " - est verrouillé sur leur mouvement. "Cela signifie que les électrons se déplaçant vers la droite ont un spin vers le bas, et ceux qui se déplacent vers la gauche ont un spin up", explique le premier auteur de l'étude Eric de Vries, Doctorant dans le groupe de recherche "Spintronics of Functional Materials" dirigé par son superviseur, le professeur Tamalika Banerjee. Ce groupe fait partie du Zernike Institute for Advanced Materials. "Mais cela signifie également que lorsque vous injectez des électrons avec spin up dans un tel isolant topologique, ils se déplaceront vers la gauche!" Les isolants topologiques pourraient donc être très utiles dans la réalisation de la spintronique :une électronique basée sur la valeur de spin quantifiée plutôt que sur la charge des électrons.

Les propriétés particulières des isolants topologiques sont prédites par l'analyse théorique des structures de surface de ces matériaux, fait de cristaux d'atomes lourds. Mais les expériences montrent des résultats mitigés, qui ne sont pas tout à fait à la hauteur des prédictions théoriques. "Nous nous sommes demandé pourquoi, nous avons donc conçu des expériences pour étudier le comportement des électrons de l'état de surface. Spécifiquement, nous voulions voir si le transport est vraiment limité à la surface, ou s'il est également présent dans la masse du matériau."

Surprenant

Des expériences antérieures du groupe, dans lequel ils ont utilisé des ferroaimants pour détecter les spins des électrons générés dans l'isolant topologique, étaient surprenants, dit De Vries. "Nous avons démontré qu'une tension provenant vraisemblablement de la détection de spin peut provenir de facteurs autres que le verrouillage du spin de l'électron sur son mouvement. En utilisant différentes géométries, nous avons montré que les artefacts liés aux champs magnétiques parasites générés par les ferroaimants peuvent imiter des tensions de spin similaires. » Cette observation peut conduire à une réévaluation de certains résultats publiés.

Cette fois, ils ont utilisé une approche différente. "Nous avons analysé les isolants topologiques à l'aide de champs magnétiques puissants. Cela fait osciller les électrons dans les canaux de transport." De Vries s'est rendu au laboratoire national des aimants à haut champ de l'université Radboud de Nijmegen, où un aimant 33 Tesla est disponible, l'un des aimants les plus puissants au monde. "D'autres ont fait des tests similaires avec des aimants plus faibles, mais ceux-ci ne sont pas assez sensibles pour révéler les canaux de transport supplémentaires qui coexistent avec les états de surface. et pas seulement en surface.

Canaux de transport

La raison de cela, explique De Vries, est la structure cristalline imparfaite de l'isolant topologique. "Parfois, il manque des atomes dans la structure cristalline. Cela se traduit par des électrons en mouvement libre. Ceux-ci commencent à conduire comme de nouveaux canaux de transport, générant du courant électrique dans la masse du matériau."

Alors pourquoi personne n'a remarqué cela avant ? De Vries souligne que l'interprétation des mesures de transport effectuées sur des isolants topologiques peut être difficile. "Nous en avons fait l'expérience lors de nos expériences précédentes. Notre message est qu'un soin extrême est nécessaire dans l'interprétation des observations expérimentales pour les dispositifs basés sur ces matériaux." Aussi, les expériences qui pourraient conduire à des conclusions plus claires nécessitent des champs magnétiques très élevés dans des laboratoires spécialisés.

Défaillance

Les résultats indiquent un moyen d'améliorer les isolants topologiques. "La clé est de faire croître les cristaux sans aucun atome manquant. Une autre solution est de combler les trous, par exemple avec des ions calcium qui lient les électrons libres. Mais cela pourrait provoquer d'autres perturbations de la mobilité des électrons." Pendant dix ans, les isolants topologiques étaient à la mode. Ils ont été comparés au matériau merveilleux qu'est le graphène. La découverte que, en pratique, les isolants topologiques ont des pépins sert de contrôle de la réalité. De Vries : « Nous devons étudier et comprendre l'interaction entre les états de surface et le matériau en vrac de manière beaucoup plus détaillée. »