Les isolants dits topologiques sont les matériaux qui sont des isolants en vrac, c'est à dire., ceux qui ne permettent pas les courants électriques dans leur volume, mais ce sont des conducteurs sur leurs surfaces. Contrairement aux conducteurs habituels, C'est, métaux, le courant électrique circulant dans un isolant topologique ne subit aucune perte d'énergie. Cette propriété ouvre de grandes possibilités d'application en électronique, car il permettrait la fabrication de plus efficaces, appareils plus rapides et à faible consommation d'énergie. Il s'agit d'un objectif aussi souhaitable que nécessaire dans le scénario actuel de progression rapide de la demande énergétique mondiale, qui menace notre environnement. Pour cette raison même, la découverte d'isolants topologiques il y a une dizaine d'années a provoqué un boom mondial de la recherche dans les domaines de la nanotechnologie et de la physique de la matière condensée.

En pensant aux applications technologiques, par exemple dans les technologies de l'information, l'un des défis de ces années de recherche intense a été la création d'un isolant topologique magnétique. Jusque là, les isolants topologiques magnétiques n'avaient été créés que par la voie dite extrinsèque, qui consiste à doper des isolants topologiques non magnétiques avec des atomes magnétiques. Cependant, grâce aux efforts d'un groupe de chercheurs du Centre de Physique des Matériaux (CFM, Centre commun CSIC-UPV/EHU), Centre International de Physique de Donostia (DIPC) et Université du Pays Basque (UPV/EHU), il est désormais possible de faire croître un isolant topologique magnétique intrinsèque, C'est, celui qui a des propriétés magnétiques par sa propre nature.

L'équipe qui comprend les chercheurs du DIPC Mikhail Otrokov (CFM Ikerbasque Research Fellow), Evgueni Chulkov (UPV/EHU, Prix ​​Euskadi de la Recherche 2019), María Blanco Rey (UPV/EHU) et Pedro M. Echenique (UPV/EHU, Président du DIPC), a prédit théoriquement le premier isolant topologique magnétique intrinsèque, avec la formule chimique MnBi 2 Te 4 . La clé du succès de cette prédiction a été la vaste expérience de ce groupe de scientifiques dans les domaines des isolants topologiques, le magnétisme et la science des matériaux en général. Le boursier Ikerbasque et chef de file de cette recherche, Mikhaïl Otrokov, déclare que « des travaux antérieurs de différentes approches nous ont amenés à la conclusion que la voie intrinsèque était la seule réalisable de nos jours. nous avons orienté nos efforts pour trouver un isolant topologique magnétique intrinsèque basé sur notre expérience antérieure. Grâce à cela, nous savions quelle structure cristalline et quelle composition atomique un tel matériau devrait avoir."

Donostia (Pays Basque, Espagne) n'est pas seulement le lieu où a été réalisée la prédiction théorique de ce premier isolant topologique magnétique, mais il a aussi été le camp de base à partir duquel sa confirmation expérimentale a été coordonnée. Ce travail a impliqué des experts dans différents domaines, des principaux centres de recherche en Russie, Azerbaïdjan, Allemagne, L'Autriche, Japon, L'Italie et les États-Unis. Les résultats de cette étude sont publiés cette semaine dans la prestigieuse revue La nature . Otrokov a expliqué que pour la confirmation expérimentale, la première étape était la synthèse des cristaux composés par les experts en synthèse chimique. Une fois synthétisé, les échantillons ont été soumis à une multitude d'expériences de caractérisation - structurelles, magnétique, électronique, du transport, de composition atomique, etc—jusqu'à ce que les caractéristiques prédites soient observées et vérifiées.

Les résultats de l'étude, qui avait déjà été diffusé via un serveur en accès libre et des conférences données par les auteurs lors de conférences internationales, ont été bien accueillis par la communauté scientifique internationale. Actuellement, MnBi 2 Te 4 et d'autres matériaux basés sur celui-ci sont étudiés dans plusieurs centres de recherche, ceux des États-Unis et de la Chine affichent l'activité la plus intense.

"MnBi 2 Te 4 , en plus d'être un isolant topologique magnétique intrinsèque, s'est avéré antiferromagnétique, comme nous l'avions calculé, " nous dit Blanco. L'antiferromagnétisme consiste en un ordre magnétique à l'échelle atomique, de telle sorte que le matériau manque de magnétisation nette. Par conséquent, ces matériaux sont beaucoup plus robustes contre les perturbations par les aimants.

Ce cristal composé de Manganèse (Mn), Le bismuth (Bi) et le tellure (Te) ont un grand potentiel tant au niveau fondamental qu'au niveau technologique. Il est extrêmement riche en propriétés exotiques, par exemple, tels que les différents effets Hall, y compris les quantiques, dont certains sont utilisés dans l'étalonnage des constantes physiques pour sa précision exceptionnelle. En outre, MnBi 2 Te 4 peut être utilisé pour créer le fermion de Majorana. C'est une sorte de particule, une quasiparticule pour être précis, qui a été considérée comme la pierre angulaire de l'informatique quantique.

De même, MnBi 2 Te 4 est le premier matériau intrinsèque pour lequel une réponse électromagnétique très similaire à celle d'un axion est prédite. Un axion est une particule hypothétique postulée dans le cadre de la chromodynamique quantique, et c'est un bon candidat pour résoudre le problème de la matière noire. C'est pourquoi il existe de nombreuses expériences visant précisément à détecter des signaux de comportement de type axion dans la famille de ce composé.

Concernant les applications pratiques, plusieurs dispositifs basés sur des isolants topologiques magnétiques ont déjà été brevetés. Par exemple, MnBi 2 Te 4 pourrait être utilisé dans les dispositifs d'interconnexion chiraux, qui promettent des performances supérieures aux connexions en cuivre ordinaires actuellement utilisées dans les circuits intégrés disponibles dans le commerce. Certaines autres applications incluent les modulateurs optiques, capteurs de champ magnétique et éléments de mémoire.

Les chercheurs travaillant à Donostia, avec leur réseau de collaborateurs internationaux, attendez-vous à pouvoir observer en MnBi 2 Te 4 certains des phénomènes exotiques mentionnés ci-dessus, et découvrir de nouveaux isolants topologiques magnétiques intrinsèques aux propriétés encore supérieures à celles du MnBi 2 Te 4 .