En 2005, Les physiciens de la matière condensée Charles Kane et Eugene Mele ont examiné le sort du graphène à basse température. Leurs travaux ont conduit à la découverte d'un nouvel état de la matière appelé « isolant topologique, " qui inaugurerait une nouvelle ère de la science des matériaux.

"Un isolant topologique est un matériau isolant en son intérieur mais très conducteur en surface, " a déclaré Andrea Young, professeur adjoint de physique à l'UC Santa Barbara. En deux dimensions, un isolant topologique idéal aurait une conductance "balistique" sur ses bords, Jeune a expliqué, ce qui signifie que les électrons voyageant à travers la région rencontreraient une résistance nulle.

Ironiquement, tandis que les travaux de Kane et Mele conduiraient à la découverte du comportement isolant topologique dans une grande variété de matériaux, leur prédiction originale - d'un isolant topologique dans le graphène - est restée non réalisée.

Au cœur du problème se trouve le couplage spin-orbite, un effet faible dans lequel le spin de l'électron interagit avec son mouvement orbital autour du noyau. Critique pour tous les isolants topologiques, le couplage spin-orbite est exceptionnellement faible dans le graphène, de sorte que tout comportement isolant topologique est noyé par d'autres effets provenant de la surface sur laquelle le graphène est supporté.

"Le faible couplage spin-orbite dans le graphène est vraiment dommage, " a déclaré le chercheur postdoctoral Joshua Island, car dans la pratique, les choses n'ont pas vraiment bien fonctionné pour les isolants topologiques en deux dimensions. « Les isolants topologiques bidimensionnels connus à ce jour sont désordonnés et peu faciles à travailler, " dit Island. La conductance sur les bords tend à diminuer rapidement avec la distance parcourue par les électrons, suggérant qu'il est loin d'être balistique. Réaliser un isolant topologique en graphène, un matériau bidimensionnel par ailleurs très parfait, pourrait fournir une base pour des circuits électriques balistiques à faible dissipation ou former le substrat matériel pour les bits quantiques protégés topologiquement.

Maintenant, dans des travaux publiés dans la revue La nature , Île, Young et leurs collaborateurs ont trouvé un moyen de transformer le graphène en un isolant topologique (TI). "Le but du projet était d'augmenter ou d'améliorer le couplage spin-orbite dans le graphène, " L'auteur principal Island a déclaré, ajoutant que des tentatives ont été faites au fil des ans avec un succès limité. "Une façon de le faire est de mettre un matériau qui a un très grand couplage spin-orbite à proximité immédiate du graphène. L'espoir était qu'en faisant cela, vos électrons de graphène adopteront cette propriété du matériau sous-jacent, " il expliqua.

Le matériau de choix ? Après avoir étudié plusieurs possibilités, les chercheurs se sont installés sur un dichalcogénure de métal de transition (TMD), constitué du métal de transition tungstène et du chalcogène sélénium. Semblable au graphène, le diséléniure de tungstène se présente sous forme de monocouches bidimensionnelles, liés ensemble par les forces de van der Waals, qui sont des interactions relativement faibles et dépendantes de la distance entre atomes ou molécules. Contrairement au graphène, cependant, les atomes plus lourds du TMD conduisent à un couplage spin-orbite plus fort. Le dispositif résultant présente la conductance électronique balistique du graphène imprégnée du fort couplage spin-orbite de la couche TMD voisine.

"Nous avons vu une amélioration très claire de ce couplage spin-orbite, ", a déclaré l'île.

"En ajoutant un couplage spin-orbite du bon type, Joshua a pu constater que cela conduit en fait à une nouvelle phase qui est presque topologiquement isolante, " Young a dit. Dans l'idée originale, il expliqua, l'isolant topologique consistait en une monocouche de graphène avec un fort couplage spin-orbite.

"Nous avons dû utiliser une astuce disponible uniquement dans les multicouches de graphène pour créer le bon type de couplage spin-orbite, " Young a expliqué leur expérience, qui utilisait une bicouche de graphène. "Et ainsi, vous obtenez quelque chose qui se rapproche de deux isolants topologiques empilés l'un sur l'autre." Fonctionnellement, cependant, Le dispositif d'Island fonctionne aussi bien que d'autres isolants topologiques 2-D connus - les états de bord très importants se propagent sur au moins plusieurs microns, beaucoup plus longtemps que dans d'autres matériaux TI connus.

Par ailleurs, selon Young, ce travail est un pas de plus vers la construction d'un véritable isolant topologique avec du graphène. "Des travaux théoriques ont depuis montré qu'une tricouche de graphène, fabriqué de la même manière, conduirait à un véritable isolant topologique.

Plus important encore, les dispositifs réalisés par Island and Young peuvent être facilement accordés entre une phase isolante topologique et un isolant régulier, qui n'a pas d'états de bord conducteurs.

"Vous pouvez acheminer ces conducteurs parfaits où vous voulez, " il a dit, "Et c'est quelque chose que personne n'a été capable de faire avec d'autres matériaux."