La recherche de meilleurs matériaux pour les ordinateurs et autres appareils électroniques s'est concentrée sur un groupe de matériaux appelés "isolants topologiques" qui ont la propriété particulière de conduire l'électricité sur le bord de leurs surfaces comme les voies de circulation sur une autoroute. Cela peut augmenter l'efficacité énergétique et réduire la production de chaleur.

Le premier isolant topologique démontré expérimentalement en 2009 était le bismuth-antimoine, mais ce n'est que récemment que les chercheurs ont identifié le bismuth pur comme un nouveau type d'isolant topologique. Un groupe de chercheurs en Europe et aux États-Unis a fourni à la fois des preuves expérimentales et une analyse théorique dans un 2018 Physique de la nature rapport.

Maintenant, chercheurs du MIT avec des collègues de Boston, Singapour, et Taiwan ont mené une analyse théorique pour révéler plusieurs autres propriétés topologiques du bismuth non identifiées auparavant. L'équipe était dirigée par les auteurs principaux, le professeur agrégé du MIT, Liang Fu, Professeur du MIT Nuh Gedik, Professeur distingué de l'Université Northeastern Arun Bansil, et chercheur Hsin Lin à Academica Sinica à Taïwan.

"C'est une sorte de topologie cachée où les gens ne savaient pas que cela pouvait être ainsi, " déclare Su-Yang Xu, postdoctorante au MIT, co-auteur de l'article publié récemment dans PNAS .

La topologie est un outil mathématique que les physiciens utilisent pour étudier les propriétés électroniques en analysant les fonctions d'onde quantique des électrons. Les propriétés "topologiques" donnent lieu à une grande stabilité du matériau et rendent sa structure électronique très robuste contre les imperfections mineures du cristal, telles que les impuretés, ou des déformations mineures de sa forme, comme les étirements ou les compressions.

"Disons que j'ai un cristal qui a des imperfections. Ces imperfections, tant qu'ils ne sont pas si dramatiques, alors ma propriété électrique ne changera pas, " explique Xu. " S'il existe une telle topologie et si les propriétés électroniques sont uniquement liées à la topologie plutôt qu'à la forme, alors il sera très robuste."

"Dans ce composé particulier, à moins que vous n'appliquiez une pression ou quelque chose pour déformer la structure cristalline, sinon cette conduction sera toujours protégée, " dit Xu.

Étant donné que les électrons porteurs d'un certain spin ne peuvent se déplacer que dans une seule direction dans ces matériaux topologiques, ils ne peuvent pas rebondir en arrière ou se disperser, qui est le comportement qui fait chauffer les appareils électroniques à base de silicium et de cuivre.

Alors que les scientifiques des matériaux cherchent à identifier des matériaux à conduction électrique rapide et à faible production de chaleur pour les ordinateurs avancés, les physiciens veulent classer les types de propriétés topologiques et autres qui sous-tendent ces matériaux les plus performants.

Dans le nouveau journal, "Topologie sur une nouvelle facette du bismuth, " les auteurs ont calculé que le bismuth devrait présenter un état connu sous le nom " d'état de surface de Dirac, " qui est considéré comme une caractéristique de ces isolants topologiques. Ils ont découvert que le cristal est inchangé par une rotation en demi-cercle (180 degrés). C'est ce qu'on appelle une symétrie de rotation double. Une telle symétrie de rotation double protège les états de surface de Dirac. Si cela la symétrie de rotation double du cristal est rompue, ces états de surface perdent leur protection topologique.

Le bismuth présente également un état topologique le long de certains bords du cristal où se rencontrent deux faces verticales et horizontales, appelé état « charnière ». Pour réaliser pleinement les effets topologiques souhaités dans ce matériau, l'état de charnière et d'autres états de surface doivent être couplés à un autre phénomène électronique appelé « inversion de bande » que les calculs des théoriciens montrent également présent dans le bismuth. Ils prédisent que ces états de surface topologiques pourraient être confirmés en utilisant une technique expérimentale connue sous le nom de spectroscopie de photoémission.

Si les électrons traversant le cuivre sont comme un banc de poissons nageant dans un lac en été, les électrons qui traversent une surface topologique ressemblent davantage à des patineurs qui traversent la surface gelée du lac en hiver. Pour le bismuth, cependant, à l'état charnière, leur mouvement s'apparenterait plus à patiner sur le coin d'un glaçon.

Les chercheurs ont également découvert que dans l'état de charnière, au fur et à mesure que les électrons avancent, leur élan et une autre propriété, appelé spin, qui définit une rotation des électrons dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse, est "verrouillé". « Leur sens de rotation est verrouillé par rapport à leur sens de déplacement, " explique Xu.

Ces états topologiques supplémentaires pourraient aider à expliquer pourquoi le bismuth laisse les électrons le traverser beaucoup plus loin que la plupart des autres matériaux, et pourquoi il conduit efficacement l'électricité avec beaucoup moins d'électrons que des matériaux tels que le cuivre.

"Si nous voulons vraiment rendre ces choses utiles et améliorer considérablement les performances de nos transistors, nous devons trouver de bons matériaux topologiques - bons en termes de facilité de fabrication, ils ne sont pas toxiques, et aussi ils sont relativement abondants sur terre, " suggère Xu. Bismuth, qui est un élément sans danger pour la consommation humaine sous forme de remèdes pour traiter les brûlures d'estomac, par exemple, répond à toutes ces exigences.

"Ce travail est l'aboutissement d'une décennie et demie de progrès dans notre compréhension des matériaux topologiques protégés par la symétrie, " dit David Hsieh, professeur de physique à Caltech, qui n'a pas participé à cette recherche.

« Je pense que ces résultats théoriques sont robustes, et il s'agit simplement de les imager expérimentalement à l'aide de techniques comme la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, dont le professeur Gedik est un expert, " ajoute Hsieh.

Le professeur Gregory Fiete de l'Université du Nord-Est note que "les composés à base de bismuth ont longtemps joué un rôle de premier plan dans les matériaux topologiques, bien que le bismuth lui-même était à l'origine considéré comme topologiquement trivial."

"Maintenant, cette équipe a découvert que le bismuth pur est multitopologique, avec une paire de cônes de Dirac de surface non attachés à une valeur de moment particulière, " dit Fiete, qui n'a pas non plus participé à cette recherche. « La possibilité de déplacer les cônes de Dirac via un contrôle externe des paramètres peut ouvrir la voie à des applications qui exploitent cette fonctionnalité. »

Hsieh de Caltech note que les nouvelles découvertes augmentent le nombre de façons dont les états métalliques protégés topologiquement peuvent être stabilisés dans les matériaux. "Si le bismuth peut être transformé de semi-métal en isolant, alors l'isolement de ces états de surface dans le transport électrique peut être réalisé, ce qui peut être utile pour les applications électroniques de faible puissance, " explique Hsieh.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.