Certains matériaux, comme le cuivre, conduit très bien l'électricité. Autres matériaux, comme le verre, ne pas. Un certain type de matériel, appelé isolant topologique, agit en partie comme l'un et en partie comme l'autre ― il se comporte comme un conducteur à sa surface et un isolant à l'intérieur.

En raison des propriétés électroniques uniques des isolants topologiques et de leur utilisation potentielle dans les dispositifs spintroniques et même éventuellement comme transistors pour les ordinateurs quantiques, des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) s'intéressent à l'étude de la relation particulière entre deux propriétés des électrons de surface conducteurs dans ces matériaux.

Dans les isolants topologiques, le spin et la quantité de mouvement de chaque électron de surface sont si étroitement liés que, en langage scientifique, ils sont verrouillés l'un à l'autre. "Le verrouillage du spin-momentum, c'est comme avoir un ballon de basket qui doit tourner dans une direction spécifique en fonction de sa trajectoire sur le terrain, " a déclaré Olle Heinonen, scientifique en matériaux d'Argonne. "Parce qu'un électron porte également un moment magnétique, vous pouvez utiliser le verrouillage de l'impulsion de rotation pour manipuler les systèmes magnétiques de manière très efficace."

La structure électronique des isolants topologiques, y compris les spécificités du verrouillage spin-momentum, peut se refléter dans le comportement de transport des électrons dans les matériaux. Pour explorer le nouveau comportement des électrons dans les matériaux topologiques, Les scientifiques d'Argonne ont travaillé avec des scientifiques de l'Université nationale de Singapour, qui a réalisé une expérience de transport qui a fourni une nouvelle perspective de la structure électronique protégée topologiquement.

Heinonen et l'ancien chercheur postdoctoral d'Argonne Shulei Zhang ont décrit comment, dans l'expérience de transport, un champ magnétique appliqué dans le plan d'un film mince d'un isolant topologique peut créer une tension dans la direction perpendiculaire au courant électrique appliqué, un phénomène appelé Hall planaire non linéaire. effet. En faisant varier la direction et l'intensité du champ magnétique, les chercheurs d'Argonne et leurs collègues ont pu déterminer à partir de la résistance résultante des informations sur la façon dont les électrons sont distribués en termes de moment et de spin.

"Si vous savez comment les champs magnétiques appliqués dans différentes directions affecteraient le courant de Hall non linéaire mesuré, vous pouvez utiliser notre modèle théorique pour cartographier la distribution des impulsions et des spins des électrons, " dit Zhang. " Alors, en raison de la façon dont nous pouvons voir plus précisément comment les champs électromagnétiques interagissent avec les électrons de conduction de surface, nous pouvons obtenir des informations beaucoup plus détaillées sur la structure électronique de surface des isolants topologiques."

Le lien entre l'effet Hall planaire non linéaire et les états de surface topologiques avec verrouillage spin-impulsion est, selon Heinonen, une "relation macroscopique-microscopique".

"Cela nous donne vraiment un coup d'œil sous le capot, " il a dit.

Un article basé sur l'étude, "Effet hall planaire non linéaire, " est paru dans l'édition en ligne du 1er juillet de Lettres d'examen physique .