Les isolants topologiques sont des matériaux aux propriétés étonnantes :le courant électrique ne circule que le long de leurs surfaces ou bords, alors que l'intérieur du matériau se comporte comme un isolant. En 2007, Professeur Laurens Molenkamp à Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg en Bavière, Allemagne, a été le premier à démontrer expérimentalement l'existence de tels états topologiques. Son équipe a réalisé ce travail fondateur avec des puits quantiques à base de mercure et de tellure (HgTe). Depuis, ces nouveaux matériaux ont été l'espoir d'une génération fondamentalement nouvelle de composants qui, par exemple, promettent des innovations pour les technologies de l'information.

Les physiciens de JMU ont réussi pour la première fois à construire un élément essentiel pour de tels composants :un point de contact quantique (QPC). Ils présentent cette réalisation dans une publication récente dans la revue Physique de la nature .

Confinement pour les états topologiques

Les contacts ponctuels quantiques sont des constrictions quasi unidimensionnelles dans des structures autrement bidimensionnelles qui ne sont minces que de quelques couches atomiques. Dans les puits quantiques topologiques de HgTe, dans laquelle les états conducteurs se situent exclusivement sur les bords, ces états de bord sont spatialement fusionnés au QPC. Cette proximité permet d'étudier les interactions potentielles entre les états de bord.

"Cette expérience n'a pu fonctionner que grâce à une percée dans nos méthodes lithographiques. Elle nous a permis de créer des structures incroyablement petites sans endommager le matériau topologique. Je suis convaincu que cette technologie nous permettra de trouver des de nouveaux effets dans les nanostructures topologiques dans un futur proche, " dit Molenkamp.

Comportement de conductance anormal par interaction

Grâce à un processus de fabrication sophistiqué, les physiciens du JMU ont réussi à structurer le goulot d'étranglement avec précision et douceur. Ces progrès technologiques leur ont permis de fonctionnaliser les propriétés topologiques du système.

Dans ce contexte, l'équipe dirigée par les professeurs Laurens Molenkamp et Björn Trauzettel a pu démontrer pour la première fois des effets d'interaction entre les différents états topologiques d'un système en utilisant des signatures de conductance anormale. Les chercheurs de Würzburg attribuent ce comportement particulier des QPC topologiques analysés à la physique des systèmes électroniques unidimensionnels.

Interaction des électrons dans une dimension

Si les corrélations électroniques sont analysées dans une dimension spatiale, les électrons se déplacent — contrairement à deux ou trois dimensions spatiales — d'une manière bien ordonnée car il n'y a aucune possibilité de « dépasser » l'électron de tête. D'un point de vue pictural, les électrons dans ce cas se comportent comme des perles sur une chaîne.

Cette propriété particulière des systèmes unidimensionnels conduit à des phénomènes physiques intéressants. Trauzettel déclare :« L'interaction entre une forte interaction de Coulomb et un couplage spin-orbite est rare dans la nature. Je m'attends donc à ce que ce système produise des découvertes fondamentales dans les années à venir.

Perspectives pour les recherches futures

Les QPC topologiques sont un composant élémentaire pour de nombreuses applications qui ont été prédites en théorie ces dernières années.

Un exemple particulièrement marquant de ce type est la réalisation possible de fermions de Majorana, ce que le physicien italien Ettore Majorana avait prédit en 1937. Un potentiel d'application prometteur en liaison avec les ordinateurs quantiques topologiques est attribué à ces excitations.

Dans ce but, il est d'une grande importance non seulement de détecter les fermions de Majorana, mais aussi de pouvoir les contrôler et les manipuler à volonté. Le QPC topologique, mis en œuvre pour la première fois à JMU Würzburg, offre une perspective passionnante à cet égard.