Les chercheurs du SLAC/Stanford ont fait basculer un matériau dans et hors d'un état topologique avec de nouvelles propriétés électroniques. Les scientifiques ont contrôlé l'interrupteur avec une forme de lumière invisible, appelé rayonnement térahertz, ce qui a fait osciller les couches du matériau d'avant en arrière. Crédit :Edbert Sie/Université de Stanford ; Studio Ella Maru
Une caractéristique étrange de certains matériaux exotiques permet aux électrons de voyager d'une surface du matériau à une autre comme s'il n'y avait rien entre les deux. Maintenant, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient activer et désactiver cette fonction en faisant basculer un matériau dans et hors d'un état topologique stable avec des impulsions lumineuses. La méthode pourrait fournir une nouvelle façon de manipuler des matériaux qui pourraient être utilisés dans les futurs ordinateurs et dispositifs quantiques qui transportent du courant électrique sans perte.
Les matériaux topologiques sont particulièrement intéressants pour ces applications car leurs états électroniques sont extraordinairement résistants aux perturbations extérieures, comme le chauffage, pression mécanique et défauts de matériaux. Mais pour utiliser ces matériaux, les scientifiques ont également besoin de moyens pour affiner leurs propriétés.
"Ici, nous avons trouvé un moyen ultrarapide et économe en énergie d'utiliser la lumière comme perturbation externe pour faire entrer et sortir un matériau de son état topologique stable, " a déclaré Aaron Lindenberg, chercheur principal de l'étude et professeur agrégé au SLAC National Accelerator Laboratory du Département de l'énergie et à l'Université de Stanford.
L'équipe SLAC/Stanford a publié ses résultats dans La nature .
Contrôle de la topologie avec la lumière
En mathématiques, La topologie décrit comment un objet géométrique peut se transformer en diverses formes sans perdre certaines propriétés. Par exemple, une sphère peut se transformer en un disque plat mais pas en un beignet, car cela nécessiterait d'y percer un trou.
Dans les matériaux, le concept de topologie est plus abstrait, mais elle conduit également à une robustesse extraordinaire :les matériaux dans un état topologique conservent leurs propriétés exotiques, comme la capacité de conduire l'électricité avec très peu de pertes, sous perturbation extérieure.
Les impulsions de rayonnement térahertz déplacent les couches atomiques voisines dans le matériau topologique tungstène ditellurure dans des directions opposées, déformer la structure atomique du matériau. Suite à une impulsion, la structure oscille, avec des couches oscillant d'avant en arrière autour de leurs positions d'origine. Se balançant dans une direction, le matériau perd ses propriétés topologiques. Se balançant dans l'autre sens, ils deviennent plus stables. Pour plus de clarté, les mouvements ont été exagérés dans cette animation. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
"Ces matériaux offrent une plate-forme passionnante pour comprendre de nouveaux concepts en physique des matériaux, et nous avons activement appris de nouvelles façons d'utiliser leur potentiel unique, " dit Edbert Sie, un membre du Geballe Laboratory for Advanced Materials à Stanford travaillant avec Lindenberg et l'un des principaux auteurs de la nouvelle étude. La recherche sur les matériaux topologiques a été récompensée par le prix Nobel de physique 2016 et un prix de la percée 2019.
Bien que les matériaux topologiques soient connus pour leur stabilité, certaines perturbations peuvent également les faire sortir de leur état stable. « Dans notre propre travail, nous recherchons des moyens d'utiliser la lumière et la contrainte pour manipuler des matériaux topologiques et créer de nouveaux états de matériaux qui pourraient être utiles pour de futures applications, " dit Sie.
Cette étude a porté sur un matériau topologique appelé ditellurure de tungstène, qui est fait de couches bidimensionnelles empilées. Les scientifiques ont déjà proposé que lorsque le matériau est dans son état topologique, l'arrangement particulier des atomes dans ces couches peut générer ce qu'on appelle des nœuds de Weyl qui présentent des propriétés électroniques uniques telles que la conductivité à résistance nulle. Ces points peuvent être considérés comme des caractéristiques semblables à des trous de ver qui tunnelisent des électrons entre des surfaces opposées du matériau.
Sie et ses collègues ont entrepris de modifier les propriétés du matériau avec des impulsions de rayonnement térahertz, une forme invisible de lumière dont les longueurs d'onde se situent entre le rayonnement infrarouge et micro-ondes. Ce qu'ils trouvèrent les prit par surprise :Avec la lumière, ils ont pu basculer rapidement le matériau entre son état topologique et un état non topologique, désactiver et réactiver efficacement l'état de résistance zéro.
"C'est la première fois que quelqu'un voit ce comportement de commutation, " dit Clara Nyby, un étudiant diplômé de l'équipe de Lindenberg et un autre auteur principal de l'étude. « L'utilisation du rayonnement térahertz était la clé ici, car son énergie peut entraîner efficacement ce mouvement. »
Schéma de la « caméra électronique » ultrarapide du SLAC. L'instrument envoie un faisceau d'électrons de haute énergie (ligne bleue pointillée) à travers un échantillon, générer un diagramme d'intensité d'électrons diffusés sur un détecteur (diagramme de diffraction à droite). Le motif et ses changements au fil du temps révèlent la structure de l'échantillon et les mouvements ultrarapides dans les moindres détails atomiques. Dans cette expérience particulière, une équipe SLAC/Stanford a étudié les mouvements dans un matériau topologique en réponse au rayonnement térahertz (flèche rose). Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Une "caméra électronique" ultrarapide révèle un changement de matériau
Pour savoir ce qui s'est exactement passé dans le matériau, les chercheurs ont utilisé l'instrument du SLAC pour la diffraction ultrarapide des électrons (UED) - une "caméra électronique" à grande vitesse - pour prendre des instantanés rapides de la structure atomique du matériau immédiatement après avoir été frappé par une impulsion térahertz.
Ils ont découvert que les impulsions déplaçaient les couches atomiques voisines dans des directions opposées, déformer la structure atomique du matériau. La structure s'est mise à osciller, avec des couches oscillant d'avant en arrière autour de leurs positions d'origine (voir l'animation ci-dessus). Se balançant dans une direction, le matériau a perdu sa propriété topologique. Se balançant dans l'autre sens, la propriété réapparut et devint plus stable.
"Il existe de nombreux mouvements atomiques qui peuvent potentiellement se produire dans le matériau, " a déclaré le co-auteur Xijie Wang, chef de l'équipe UED du SLAC. "La combinaison des impulsions térahertz et de l'UED, utilisé ici pour la première fois, rendu cette expérience possible. Cela nous a permis d'identifier rapidement ce mouvement oscillatoire particulier."
Co-auteur Das Pemmaraju, un chercheur associé au SLAC, mentionné, "Les données de l'UED ont également servi de base aux calculs de la structure électronique du matériau et de sa réponse au rayonnement térahertz. Nos résultats démontrent que le rayonnement fait sortir le matériau de son état topologique puis y retourne."
Il reste à voir comment ce mécanisme de commutation, pour laquelle l'équipe a obtenu un brevet provisoire, peut effectivement être utilisé. "C'est au début du match, " a déclaré Sie. "Mais le fait que nous puissions manipuler des matériaux topologiques d'une manière assez simple en utilisant la lumière et la contrainte est d'un grand potentiel."
Prochain, les scientifiques veulent appliquer leur méthode à plus de matériaux et étudier comment ces modifications structurelles modifient leurs propriétés électroniques, explorer davantage le monde de la science des matériaux topologiques.
