Un matériau isolant nouvellement identifié utilisant les principes de symétrie derrière les motifs de papier peint peut fournir une base pour l'informatique quantique, selon une équipe internationale de chercheurs. Cet échantillon de strontium-plomb (Sr2Pb3) a un état de surface de cône de Dirac quadruple, un ensemble de quatre, états de surface électroniques bidimensionnels qui s'éloignent d'un point dans l'espace de quantité de mouvement en lignes droites. Crédit :Benjamin Wieder, Département de physique de l'Université de Princeton
Une équipe internationale de scientifiques a découvert un nouveau forme exotique de matériau isolant avec une surface métallique qui pourrait permettre une électronique plus efficace ou même l'informatique quantique. Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode d'analyse des composés chimiques existants qui s'appuie sur les propriétés mathématiques telles que la symétrie qui régissent les motifs répétitifs observés dans le papier peint de tous les jours.
"La beauté de la topologie est que l'on peut appliquer les principes de symétrie pour trouver et catégoriser les matériaux, " a déclaré B. Andrei Bernevig, professeur de physique à Princeton.
La recherche, paru le 20 juillet dans le journal Science , impliquait une collaboration entre des groupes de l'Université de Princeton, l'Université de Pennsylvanie (Penn), Université Sungkyunkwan, Freie Universität Berlin et l'Institut Max Planck de physique des microstructures.
La découverte de cette forme de plomb-strontium (Sr
Certains scientifiques ont émis l'hypothèse que les isolants topologiques, qui isolent à leur intérieur mais conduisent l'électricité à leur surface, pourrait servir de base à l'informatique quantique ultra-rapide.
"Vous pouvez penser à un isolant topologique comme un baiser de Hershey, " dit Kane, un auteur correspondant sur le papier. "Le chocolat est l'isolant et la feuille est un conducteur. Nous avons essayé d'identifier de nouvelles classes de matériaux dans lesquels les symétries cristallines protègent la surface conductrice. Ce que nous avons fait ici est d'identifier le type le plus simple d'isolant cristallin topologique. "
Le nouveau travail montre comment les symétries de certaines surfaces bidimensionnelles, connus sous le nom de 17 groupes de papiers peints pour leur motif semblable à du papier peint, contraindre la disposition spatiale (topologie) des isolants tridimensionnels.
Dans un isolant topologique tridimensionnel classique, chaque surface bidimensionnelle présente un seul groupe caractéristique d'états avec une dispersion en forme de cône. Ces cônes ressemblent aux éléments du graphène appelés cônes de Dirac, caractéristiques qui imprègnent le matériau et les autres semi-métaux Dirac bidimensionnels de leurs qualités de transport électronique inhabituelles, mais ils sont distincts car le graphène possède un total de quatre cônes de Dirac en deux paires qui sont "collés" ensemble.
Kane avait soupçonné qu'avec les symétries cristallines, un deuxième type d'isolant topologique pourrait exister avec une seule paire de cônes de Dirac collés. "Ce que j'ai réalisé, c'est qu'une seule paire de cônes de Dirac est impossible dans un matériau purement bidimensionnel, mais cela pourrait être possible à la surface d'un nouveau type d'isolant topologique. Mais quand j'ai essayé de construire un tel état, les deux cônes étaient toujours décollés."
Une solution est apparue lorsque Benjamin Wieder, alors étudiant diplômé dans le groupe de Kane et maintenant associé postdoctoral à Princeton, visité Princeton. A Princeton, Bernevig et son collègue Zhi Jun Wang venaient de découvrir des "isolateurs de sablier" - des isolants topologiques avec des motifs étranges d'états en forme de sablier entrelacés - que Wieder a reconnu comme agissant comme si vous aviez enveloppé un cristal tridimensionnel avec un type spécial de papier peint à motifs.
"Nous avons réalisé que vous pouviez obtenir non seulement l'isolateur de sablier, mais aussi cet isolant spécial Dirac, en trouvant un cristal qui avait l'air d'être recouvert du bon papier peint, " a déclaré Wieder.
En particulier, ils ont reconnu qu'une paire collée de cônes de Dirac pouvait être stabilisée sur des surfaces cristallines qui ont deux lignes d'intersection le long desquelles les surfaces semblent identiques après avoir été retournées et tournées perpendiculairement. Ces lignes, connu sous le nom de réflexions glissantes, caractériser les groupes de papiers peints dits non symmorphes, et fournir ainsi l'homonyme de cette nouvelle phase, que l'équipe a surnommé un "isolant de Dirac non symmorphique".
Les chercheurs se sont rapidement mis au travail en appliquant la rigueur mathématique à l'inspiration de Wieder, résultant en un nouveau, méthodologie basée sur la symétrie du papier peint pour diagnostiquer la topologie en vrac des cristaux tridimensionnels.
"Les principes de base sont assez simples pour que nous les ayons esquissés sur des serviettes le soir même, " a déclaré le co-auteur Barry Bradlyn, chercheur associé au Princeton Center for Theoretical Science (PCTS).
"Mais ils sont néanmoins suffisamment robustes pour prédire et comprendre un zoo de nouvelles phases topologiques dans des matériaux réels, " dit Wang, un chercheur associé postdoctoral en physique.
La découverte a permis aux scientifiques de relier directement pour la première fois la symétrie d'une surface à la présence d'états de surface topologiques souhaités, a dit Andrew Rappe de Penn, un autre co-auteur sur le papier. "Cela permet un moyen élégant et immédiatement utile de concevoir des états de surface et d'interface souhaitables."
Pour identifier la phase isolante Dirac dans la nature, les chercheurs ont calculé les structures électroniques de centaines de composés précédemment synthétisés avec des surfaces avec deux lignes de glissement (groupes de papier peint pgg et p4g) avant d'identifier la nouvelle topologie en plomb-strontium.
Les chimistes computationnels "savaient qu'ils cherchaient une aiguille dans une botte de foin, mais personne n'a pris la peine de leur dire à quel point l'aiguille pouvait être petite, " a déclaré Jennifer Cano, chercheur associé au PCTS.
Au fur et à mesure que des isolants topologiques encore plus exotiques sont découverts, le rôle de la symétrie du groupe de papier peint, et du spécial, des cônes de type graphène dans l'isolant de Dirac, ont été encore solidifiés.
"Quand on peut diviser un vrai cône de Dirac de surface tout en gardant une symétrie d'inversion du temps, quelque chose de vraiment spécial arrive, " a déclaré Bernevig. " Vous obtenez des isolants tridimensionnels dont les surfaces bidimensionnelles sont également une sorte d'isolant topologique. " De telles phases ont été prédites récemment dans les cristaux de bismuth et le ditellurure de molybdène (MoTe2) par plusieurs membres de la collaboration.
Par ailleurs, avec l'utilisation d'une nouvelle théorie, chimie quantique topologique, les chercheurs espèrent trouver beaucoup plus de ces phases exotiques.
« Si nous pouvions peindre ces matériaux avec le bon papier peint, on verrait plus d'isolateurs Dirac, " dit Wieder, "mais parfois, le mauvais fond d'écran est intéressant aussi."
