Le prix Nobel de physique 2016 a été décerné pour la théorie de la matière topologique. Les isolants topologiques sont de nouveaux matériaux avec des propriétés électroniques spéciales et sont d'un grand intérêt fondamental et orienté vers les applications. Néanmoins, les physiciens se sont débattus avec un puzzle vieux de dix ans dans lequel les résultats des deux meilleures méthodes pour sonder leurs états électroniques ne sont pas d'accord. Des chercheurs d'Amsterdam, dont deux doctorants financés par la FOM, avec des collaborateurs en France, La Suisse et l'Allemagne savent maintenant exactement pourquoi.

Les isolants topologiques sont des choses étranges. La majeure partie d'un tel cristal est isolante et ne peut véhiculer un courant électrique, pourtant les surfaces de ce même cristal sont conductrices. Ces nouveaux matériaux présentent un grand intérêt fondamental mais sont également très prometteurs pour de nombreuses applications futures dans des types particuliers d'électronique et en calcul quantique, ils font donc l'objet d'un important effort de recherche en physique. L'importance des matériaux topologiques a été soulignée l'année dernière avec l'attribution du prix Nobel pour le développement de théories fondamentales exposant l'existence et le comportement de la matière topologique.

Il existe deux méthodes expérimentales puissantes pour examiner le comportement des électrons – les particules qui transportent le courant électrique – à la surface d'un isolant topologique. La première consiste à envoyer un courant à travers le système en présence d'un très grand champ magnétique, et est connu sous le nom de magnétotransport. La seconde implique l'utilisation d'un faisceau de lumière ultraviolette pour examiner la surface du cristal. Dans ce cas, l'énergie d'une particule lumineuse peut être absorbée par un électron et de cette façon, celles qui se trouvent près de la surface peuvent s'échapper du cristal et être analysées. Les chercheurs peuvent exploiter cet effet photoélectrique pour recueillir des informations précieuses sur les propriétés électroniques à la surface d'un isolant topologique, l'endroit où se trouve toute l'action. Ce type d'expérience est appelé photoémission.

Depuis plus de 10 ans, les chercheurs ont été perplexes quant à la raison pour laquelle ces deux expériences sont complètement en désaccord lorsqu'elles sont appliquées à des isolants topologiques. Aujourd'hui des chercheurs d'Amsterdam, dont deux doctorants financés par la FOM, avec des collaborateurs en France, La Suisse et l'Allemagne en ont récemment entrevu les raisons. L'hypothèse? Le tout premier flash de lumière UV, nécessaire pour enregistrer les données de photoémission, modifie lui-même la structure électronique à la surface.

La quantité qui décrit et explique comment les électrons d'un solide font leur travail s'appelle la structure de bande. Il peut être vu comme une sorte de réseau routier, qui trace les combinaisons autorisées d'énergie et de longueur d'onde que les ondes électroniques peuvent avoir dans le cristal. Une tranche à travers une telle structure de bande peut être facilement affichée sous forme d'image 2D comme celles des images présentées ici. Ce type de cliché contient des informations précieuses sur la structure électronique d'un isolant topologique, et en particulier la localisation énergétique du point de croisement des deux branches visibles dans la structure de bande. Cette particularité, mise en évidence par un marqueur de couleur dans les images, s'appelle le point de Dirac, du nom du physicien théoricien Paul Dirac dont la théorie a d'abord décrit les électrons comme ceux à la surface d'un isolant topologique.

Normalement, l'enregistrement d'une image de structure de bande coûte une minute ou plus. Mais ici, les chercheurs ont travaillé dur pour réduire cela à une seule seconde, et l'image de gauche était le résultat. Le point de Dirac (cercle vert) se situe à une énergie correspondant à celle des données de magnétotransport. Après seulement 20 secondes d'exposition aux UV, le marqueur rouge sur l'image de droite montre que le point de Dirac, et le reste de la structure du groupe avec elle a glissé vers le bas en énergie, loin de la valeur trouvée dans les expériences de transport.

On savait déjà que les molécules qui adhèrent à la surface de l'isolant topologique peuvent provoquer un déplacement vers le bas du point de Dirac. Ces nouvelles expériences ont pu démêler l'effet des molécules en surface et celui de la lumière UV, ainsi les chercheurs ont pu démontrer que le tout premier éclair lumineux joue en fait le rôle du pistolet du démarreur, déclenchant une descente rapide du point de Dirac vers le bas.

Ces nouveaux résultats sont très utiles, car la photoémission est une expérience très importante dans le domaine des matériaux topologiques. Mais signifient-ils que la photoémission est mûre pour la poubelle ? Au contraire! Maintenant que l'effet de la lumière UV est bien compris, des protocoles pourraient être développés sur la manière dont la photoémission peut être utilisée de la bonne manière dans les futures études sur les isolants topologiques. Les résultats de la photoémission et les lignes directrices pour des procédures expérimentales améliorées ont été publiés cette semaine dans la principale revue de physique (en libre accès), Examen physique X .