Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Chen Fang et Liang Fu du Laboratoire national de Pékin pour la physique de la matière condensée en Chine, Institut Kavli pour les sciences théoriques et le Département de physique, Massachusetts Institute of Technology aux États-Unis. Détail de la découverte de nouveaux types d'anomalies quantiques dans les systèmes bidimensionnels avec symétrie de retournement du temps (T) (conservation de l'entropie) et symétrie de rotation discrète ; où une forme conserve la même structure après rotation par un tour partiel et un ordre. Ils ont ensuite réalisé physiquement des états anormaux à la surface de nouvelles classes d'isolants cristallins topologiques (ICT) normaux à l'axe de rotation et supportant un mode hélicoïdal. La présence de modes hélicoïdaux leur a permis de former un nouveau dispositif quantique à partir d'un isolant cristallin topologique connu sous le nom de nanotige hélicoïdale à conductance longitudinale quantifiée.

Une seule saveur de fermion relativiste sans masse (particules élémentaires) peut avoir des anomalies quantiques où la conservation du courant de symétrie globale est rompue au niveau quantique. Des exemples bien connus incluent l'anomalie chirale des fermions de Weyl en trois dimensions (3-D), et anomalie de parité en 2-D. Dans le travail present, Fang et Fu ont présenté une nouvelle anomalie quantique associée à l'inversion du temps (T) et à la symétrie de rotation discrète (C m =2, 4, 6). De telles anomalies ne pouvaient exister que dans les théories qui brisaient les symétries de rotation continue en 2-D. Des matériaux spécifiques tels que les TCI (isolants cristallins topologiques) peuvent héberger des états de surface robustes qui ont une dispersion de Dirac (de type graphène) par rapport aux porteurs sans masse. La rupture de la symétrie protectrice au sein de ces matériaux peut amener les porteurs à acquérir de la masse.

Former de nouvelles classes de TCI

Dans les TCI, la topologie et la symétrie cristalline s'entrelacent pour former des états de surface aux caractéristiques distinctes. La rupture de la symétrie cristalline dans les TCI peut conférer une masse aux fermions de Dirac sans masse; donc, la présence d'états de surface topologiques protégés par des symétries cristallines est une propriété déterminante des TCI. Les 230 groupes spatiaux précédemment identifiés qui décrivent toutes les symétries cristallines possibles permettent de nombreuses classes différentes de TCI. Les chercheurs avaient précédemment trouvé une classe de TCI protégée par la symétrie de réflexion dans les semi-conducteurs IV-VI et une autre classe de TCI protégée conjointement par la réflexion glissante et la symétrie d'inversion du temps au sein d'isolateurs à grand espacement pour former des fermions "sablier" expérimentaux, tout en théorisant plusieurs autres classes de TCI.

La procédure de recherche standard pour trouver des matériaux topologiques consiste à calculer la structure de bande d'un matériau particulier pour comprendre les états électroniques, puis alimentez cette information dans une formule pour révéler si le matériau est topologique. En outre, la structure de bande électronique, connue sous le nom de relation entre l'énergie d'un électron et son quasi-élan, peut déterminer si un matériau est un métal ou un isolant. Des chercheurs ont récemment prouvé une théorie pour prédire et découvrir expérimentalement de tels matériaux topologiques. Dans le travail present, donc, Fang et al. ont prédit une nouvelle classe de TCI protégés conjointement par une rotation n-fold et une symétrie d'inversion du temps pour présenter des états de surface topologiques contenant des cônes de Dirac sans masse sur les surfaces supérieure et inférieure.

Comprendre l'anomalie de rotation

L'étude de l'anomalie les a conduits à théoriser de nouvelles classes d'invariants par retournement temporel (où les lois sous-jacentes ne sont pas sensibles à la direction du temps) des TCI avec C m =2, 4, 6 symétrie de rotation. Ces TCI présentaient des états de surface anormaux sur les surfaces supérieure et inférieure. Pour chaque nouvelle classe de TCI, l'équipe a construit l'invariant topologique correspondant par rapport aux fonctions d'onde de Bloch dans l'espace de quantité de mouvement. Basé sur la réduction dimensionnelle (nombre de variables aléatoires ou d'attributs considérés) et les états de paroi de domaine (structures magnétiques de largeur finie qui séparent des régions d'aimantation uniforme au sein d'un matériau magnétique), les scientifiques ont en outre fourni une compréhension unifiée de l'espace réel de ces TCI. Ils ont prédit plusieurs matériaux pour réaliser les états de surface anormaux protégés par des symétries de rotation double et quadruple. Les chercheurs ont alors proposé un nouveau dispositif quantique basé sur les anomalies, connu sous le nom de "tige hélicoïdale, " réalisés à l'aide de ces nouveaux TCI.

Pour construire les nouveaux TCI et former la topologie dans l'espace de quantité de mouvement, Fang et al. pourrait ajouter deux invariants d'inversion temporelle (symétrie en T), de forts isolants topologiques (TI) chacun avec une symétrie de rotation n-fold. Ils ont considéré l'hybridation permise par la symétrie entre les fermions de Dirac de surface et les TI pour obtenir les états de surface souhaités des TCI. Les chercheurs ont décrit les fermions de Dirac à l'aide de h + et h - textures de spin de type vortex dans l'espace d'élan avec chiralité gauche et droitière. Les chercheurs ont observé la présence et l'absence de symétrie de rotation continue en examinant le modèle vectoriel pseudospin sur certains contours d'énergie égale de h + et h - respectivement.

Après avoir établi la structure de bande d'état de surface TI, Fang et al. fourni une explication alternative de leur nature topologique du point de vue de l'espace réel, similaire à une approche de recherche antérieure. L'approche de l'espace réel a ajouté des perturbations permises par la symétrie pour briser la symétrie translationnelle et écarter les fermions de Dirac sans masse sur la surface pour une étude plus approfondie. Les phénomènes ont facilité les états TCI non triviaux et les démonstrations de leur robustesse sous les interactions électroniques. Pour ça, ils ont considéré un modèle à double TI d'un TCI placé dans un cylindre d'une taille supérieure à la longueur et à la surface de corrélation, lisse à l'échelle atomique. Pour C 4, 6 -TCI placé sur un cylindre, les emplacements des modes sur les états de surface n'étaient liés à aucune charnière physique ou intersection de surfaces cristallines. Bien que la forme cylindrique contenait une symétrie de rotation continue, le système décrit dans l'étude l'a décomposé en une symétrie de rotation discrète, pour indiquer l'existence de lignes sans espace 1-D même sur un cylindre lisse parfaitement à l'échelle atomique.

Fang et al. a ensuite noté la possibilité de comprendre les états cristallins topologiques dans une perspective de réduction dimensionnelle, où l'état 3-D pourrait être considéré comme un ensemble de couches découplées d'états topologiques 2-D. Les trois types de nouveaux TCI introduits dans ce travail pourraient donc être construits à partir de TI 2-D. Fang et al. ont utilisé cette construction pour étendre leur théorie des états topologiques protégés par la symétrie à interaction forte protégés par la symétrie de rotation et toute symétrie locale, y compris, mais pas limité à la symétrie d'inversion du temps.

Étant donné que les modes hélicoïdaux 1-D sont bien connus pour être exempts de rétrodiffusion en raison de la symétrie d'inversion du temps, cette propriété unique a permis à Fang et al. pour concevoir une nanotige hélicoïdale à partir de ces nouveaux matériaux. Chaque mode hélicoïdal ne nécessitait que la symétrie d'inversion du temps pour la protection et la symétrie de rotation garantissait que les modes n-hélicoïdaux ne se croisaient pas dans l'espace réel et ne s'écartaient pas. De cette façon, tant que la symétrie de rotation n'était pas considérablement brisée, ces modes de bords hélicoïdaux resteraient stables, bien qu'ils ne soient plus liés les uns aux autres via une rotation - pour former de nouvelles classes de TCI avec une anomalie de rotation de surface.

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