Figure 1. a) Géométrie schématique pour nARPES à la surface latérale topologique (le plan (100)) de β-Bi4I4. b) Graphique d'intensité ARPES à l'énergie de Fermi pour le plan (100). c) Cartes des bandes ARPES autour du point Γ ̅ et du point Z ̅ du plan (100). d) Géométrie schématique pour nARPES à la surface topologiquement sombre (le plan (001)). e) Carte de bande ARPES autour du point Γ ̅ du plan (001). Crédit :Source de lumière diamant
Les isolants topologiques sont l'une des découvertes les plus passionnantes du 21e siècle. Ils peuvent être simplement décrits comme des matériaux qui conduisent l'électricité sur leur surface ou leur bord, mais sont isolants dans leur volume intérieur. Leurs propriétés conductrices sont basées sur le spin, une propriété de mécanique quantique, et cela supprime la diffusion normale des électrons hors des impuretés dans le matériau, ou d'autres électrons, et la quantité d'énergie qui est par conséquent perdue en chaleur. Contrairement aux supraconducteurs, les isolants topologiques peuvent fonctionner à température ambiante, offrant la possibilité de remplacer notre électronique actuelle par des ordinateurs quantiques et des dispositifs « spintroniques » qui seraient plus petits, plus rapide, plus puissant et plus économe en énergie. Les isolants topologiques sont classés comme « forts » ou « faibles », et les confirmations expérimentales de l'isolant topologique fort (STI) ont rapidement suivi les prédictions théoriques. Cependant, l'isolant topologique faible (WTI) était plus difficile à vérifier expérimentalement, à mesure que l'état topologique apparaît sur des surfaces latérales particulières, qui sont généralement indétectables dans de vrais cristaux 3-D. Dans une recherche publiée récemment dans La nature , une équipe de chercheurs du Japon a utilisé des techniques synchrotron pour fournir des preuves expérimentales de l'état du WTI dans un cristal d'iodure de bismuth.
Les cristaux d'iodure de bismuth quasi-unidimensionnels (1-D) α-Bi4I4 et β-Bi4I4 ont des structures très similaires, ne différant que par leurs séquences d'empilement le long de l'axe c. Cette petite différence de structure conduit à une différence substantielle dans la résistivité des deux phases, en grandeur absolue et en fonction de la température. A température ambiante, des transitions de premier ordre se produisent entre les deux phases cristallines, avec la phase plus résistive se formant préférentiellement lorsque l'échantillon est lentement refroidi.
L'équipe de recherche a utilisé des mesures de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) au laser avec des résolutions élevées en énergie et en quantité de mouvement pour déterminer les structures électroniques de α-Bi4I4 et β-Bi4I4. Ils ont observé une superposition des signaux ARPES des plans (001) et (100) dans ces expériences, parce que le spot laser était beaucoup plus grand que chaque terrasse et facette exposée sur une surface clivée. Dans -Bi4I4, ils ont observé une dispersion d'énergie de type cône de Dirac près de l'énergie de Fermi, EF—état anormal qui n'a pas été détecté dans le trivial α-Bi4I4, et qui devrait être due à une surface topologique. Un état quasi-1D similaire a été confirmé par ARPES à une énergie photonique plus élevée. La seule explication possible de l'état de Dirac quasi-1D observé est qu'il dérive de la surface latérale topologique (100) d'un WTI.
Pour examiner exclusivement la surface du WTI, ils se sont tournés vers une technique ARPES sélective de surface, la nano-ARPES. Nano-ARPES (nARPES) est un développement passionnant dans les techniques synchrotron, qui combine la haute résolution spatiale d'un microscope avec la résolution en énergie et en quantité de mouvement de la technique ARPES. La branche nARPES de la ligne de lumière I05 dispose d'une station terminale qui fournit des ARPES résolus spatialement à partir de tailles de spots ultra-petites. A l'aide d'un faisceau de photons focalisé sur un spot de taille inférieure à 1 µm, l'équipe a pu observer l'avion (100) sans aucune contamination.
L'état du WTI
Les chercheurs ont obtenu une carte d'intensité microscopique pour une minuscule surface de clivage, en utilisant nARPES avant les mesures résolues en angle
Ils ont ensuite observé un état de surface topologique de Dirac quasi-unidimensionnel au niveau de la surface latérale (le plan (100)), tandis que la surface supérieure (le plan (001)) est topologiquement sombre avec une absence d'états de surface topologiques. Leurs résultats ont visualisé l'état WTI réalisé dans β-Bi4I4, et a montré qu'une transition cristalline de la phase à la phase entraîne une transition de phase topologique d'un WTI non trivial à un isolant normal à température ambiante.
L'état du WTI identifié pourrait avoir plusieurs implications scientifiques et technologiques différentes. Parce qu'il est considéré comme l'analogue 3-D de l'isolant Quantum spin Hall (QSH), et pourrait générer un courant de spin hautement directionnel sur une large surface latérale du cristal 3-D, sa découverte devrait stimuler une étude plus approfondie des phénomènes quantiques exotiques. Dans l'iodure de bismuth, l'émergence de courants de spin robustes peut être contrôlée en sélectionnant des phases cristallines topologiques ou non topologiques, à environ la température ambiante.
Cette recherche est donc une étape vers la recherche fondamentale et technologique sur les analogues 3-D des isolants QSH, et peut conduire à terme à de nouvelles technologies électroniques et spintroniques.
