De nouvelles expériences avec des isolants topologiques dopés magnétiquement à BESSY II ont révélé des méthodes possibles de transmission de signaux sans perte qui impliquent un phénomène d'auto-organisation surprenant. À l'avenir, il pourrait être possible de développer des matériaux avec de telles caractéristiques à température ambiante qui peuvent être utilisés comme unités de traitement en informatique quantique, par exemple. L'étude a été publiée dans La nature .

De nouveaux effets en physique du solide sont souvent découverts pour la première fois à des températures proches du zéro absolu (0 Kelvin ou -273 °C). D'autres recherches peuvent alors déterminer si et comment ces phénomènes peuvent également être induits à température ambiante. La supraconductivité a été initialement observée dans le mercure en dessous de 4 Kelvin il y a plus de 100 ans. Aujourd'hui, il existe de nombreux supraconducteurs à haute température qui conduisent le courant électrique sans pertes résistives à des températures aussi élevées que 138 Kelvin ou même 200 Kelvin (le record détenu par H2S).

L'effet Hall anormal quantifié (QAHE) a été observé pour la première fois dans un isolant topologique dopé magnétiquement en dessous de 50 millikelvins en 2013. Similaire à la supraconductivité, cet effet permet un transport de charge sans perte dans les canaux à bords minces des échantillons. Pendant ce temps, les chercheurs ont augmenté la température maximale à laquelle l'effet peut être observé jusqu'à environ 1 Kelvin.

Cependant, sur la base de considérations théoriques, le QAHE devrait se produire à des températures beaucoup plus élevées. C'est donc un mystère de savoir pourquoi cela ne se produit pas. Un paramètre critique est connu comme l'espace d'énergie magnétique de l'échantillon, il n'a jamais été mesuré auparavant. Plus cet écart est grand, plus l'effet devrait être stable vis-à-vis de l'influence de la température.

Une équipe internationale dirigée par le physicien HZB, le professeur Oliver Rader et le professeur Gunther Springholz de l'Université de Linz, a réalisé une percée. Par spectroscopie photoélectronique avec rayonnement synchrotron de BESSY II, ils ont pu mesurer pour la première fois l'écart énergétique dans un tel échantillon. Pour y parvenir, l'ARPES1cube a été utilisé pour atteindre des températures extrêmement basses; les chercheurs ont utilisé la nouvelle capacité de résolution de spin du laboratoire russo-allemand de BESSY II. Étonnamment, l'écart était en fait cinq fois plus grand que prévu théoriquement.

Les scientifiques ont également trouvé une raison simple à ce résultat :« Nous savons maintenant que le dopage au manganèse ne se fait pas de manière désordonnée. Au contraire, il provoque une stratification connue sous le nom de superstructure dans le matériau - des couches un peu comme une pâte feuilletée, " explique Springholz. " En ajoutant quelques pourcents de manganèse, des unités alternées de sept et cinq couches sont créées. Cela fait que le manganèse est préférentiellement contenu dans les unités à sept couches et peut ainsi générer beaucoup plus efficacement l'écart énergétique."

Rader dit rétrospectivement que l'imagination des chercheurs dans l'utilisation de dopants ne s'est pas suffisamment étendue à ce jour. Ils ont utilisé des éléments trivalents tels que le chrome et le vanadium qui ont des caractéristiques magnétiques pour remplacer le bismuth dans le tellurure de bismuth (Bi 2 Te 3 ), avec les atomes dopants dans un état désordonné. La raison en semblait très convaincante :les éléments magnétiques trivalents contribuent trois électrons aux liaisons chimiques et leur valence chimique conduit ces éléments vers les sites de bismuth.

Avec du manganèse, la situation est différente. Le manganèse étant bivalent, il ne s'intègre pas vraiment bien dans les sites de bismuth. C'est apparemment pourquoi le système se restructure radicalement et crée une nouvelle double couche d'atomes dans laquelle le manganèse peut être incorporé de manière bivalente. "De cette façon, une structure est créée de manière auto-organisée dans laquelle le manganèse peut produire le grand intervalle d'énergie magnétique, " explique Rader.

Si ces phénomènes d'auto-organisation sont exploités de manière spécifique, alors des configurations complètement nouvelles peuvent émerger pour les matériaux topologiques magnétiques, selon Springholz. En principe, l'écart qui a maintenant été mesuré est déjà si grand qu'il devrait permettre la construction d'un QAHE proche de la température ambiante à partir de composants appropriés. Cependant, d'autres paramètres doivent encore être améliorés. Un isolant topologique magnétique comme celui-ci en combinaison avec un supraconducteur ordinaire pourrait également permettre la réalisation d'une unité de traitement quantique (Qbit) pour un ordinateur quantique.