Les recherches menées par les universités de St Andrews et de Tokyo révèlent une nouvelle compréhension sur la façon de créer des états électroniques topologiques dans les solides qui pourraient alimenter le développement de matériaux améliorés pour des appareils électroniques rapides et économes en énergie. Les résultats pourraient conduire à de nouveaux types de puces informatiques qui pourraient être beaucoup plus puissantes que celles que l'on trouve dans les ordinateurs et les téléphones intelligents d'aujourd'hui.

Le comportement des électrons à l'intérieur d'un solide est régi par sa structure électronique, un réseau entrelacé de « bandes » qui définissent les énergies et les moments autorisés des électrons dans le solide. Si le bon type de bandes se croisent, cela peut donner lieu à intéressant, et potentiellement extrêmement utile, propriétés physiques des matériaux. Par exemple, on s'est récemment rendu compte que des points de contact isolés de ces bandes peuvent être stabilisés par certaines symétries cristallines, créant des fermions dits de Dirac dans la structure électronique massive. Cela permet aux électrons dans la masse du cristal de se comporter comme s'il s'agissait de particules sans masse, effectivement un analogue en vrac du graphène, un matériau atomiquement mince. En plus d'être un terrain de jeu passionnant pour étudier les concepts fondamentaux des particules en physique, cela peut conduire à une mobilité ultra-élevée des porteurs de charge, une propriété qui pourrait être utilisée pour faire de très bons conducteurs.

Si le passage n'est pas protégé, un autre état excitant appelé « isolant topologique » peut être stabilisé. Ici, la majeure partie du matériau se comporte de manière similaire à un isolant électrique normal, mais sa surface supporte ce qu'on appelle des « états de surface topologiques » – des bandes supplémentaires formant des points de croisement protégés contenant uniquement des électrons localisés à la surface du matériau. Pratiquement parlant, ces états de surface fournissent une enveloppe conductrice autour de la masse du matériau, qui peut rester intact même lorsque le matériel présente des défauts ou des dommages. Un isolant électronique peut donc se transformer en un bon conducteur à sa surface, avec des applications potentielles dans les schémas électroniques proposés qui exploitent le spin de l'électron ainsi que sa charge.

Compte tenu de l'intérêt à la fois fondamental et pratique de tels systèmes, il y a eu d'énormes efforts récents pour identifier les composés où ces types d'états peuvent être trouvés. Élaborer un ensemble de principes directeurs pour y parvenir, une équipe internationale de scientifiques du Royaume-Uni, L'Asie et l'Europe ont combiné une modélisation théorique détaillée avec des études expérimentales de pointe. leurs découvertes, publié dans la revue Matériaux naturels (27 novembre), démontrent un mécanisme très général pour générer plusieurs ensembles d'états de surface topologiques et de fermions de Dirac tridimensionnels tous dans le même matériau. Les chercheurs ont trouvé des preuves de ceux-ci dans six composés distincts de la famille des dichalcogénures de métaux de transition en couches, un système de matériaux qui a été extrêmement étudié en raison du large éventail de nouvelles phases physiques qu'ils hébergent, des semi-conducteurs non conventionnels aux supraconducteurs, et leur potentiel à agir en tant qu'analogues du graphène de nouvelle génération.

Saïd Bahramy, de l'Université de Tokyo et du Centre RIKEN au Japon, qui a dirigé les travaux théoriques, a commenté :« Les dichalcogénures de métaux de transition sont surtout connus pour leur électronique unique, propriétés spintroniques et valleytronic. Sachant qu'ils peuvent intrinsèquement héberger de telles nouvelles phases topologiques, cela ouvre de nouvelles possibilités pour la réalisation de dispositifs électroniques de nouvelle génération dotés de fonctionnalités avancées."

La clé des découvertes des chercheurs est une disparité dans la façon dont les électrons peuvent se déplacer dans différentes directions du cristal, couplé à une symétrie de rotation simple qui peut protéger certains croisements de bandes. L'étude a montré comment cela conduit naturellement à la formation d'ensembles empilés d'états de surface topologiques et de fermions de Dirac 3-D dans les dichalcogénures de métaux de transition. Les résultats ne devraient pas être limités à ce système de matériaux. Des conditions de départ similaires peuvent être trouvées dans de nombreux matériaux différents, soulevant la perspective passionnante que les caractéristiques découvertes ici sont en fait beaucoup plus courantes dans la nature qu'on ne le suppose généralement.

Olivier Clark, de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de St Andrews, qui a dirigé le travail expérimental, ajoute :« Le nombre d'ingrédients dont vous avez besoin pour permettre à ces fonctionnalités d'apparaître dans un matériau donné est très faible, et chacun d'eux très commun. Cela élargit donc considérablement la gamme de matériaux possibles dans lesquels vous pouvez vous attendre à trouver ces signatures topologiques."

L'article Formation ubiquitaire de cônes de Dirac en vrac et d'états de surface topologiques à partir d'une seule variété orbitale dans les dichalcogénures de métaux de transition par M S Bahramy, O J Clark et al est publié dans la revue Matériaux naturels .