Les électrons courent le long de la surface de certains matériaux cristallins inhabituels, sauf que parfois non. Deux nouvelles études de chercheurs de Princeton et de leurs collaborateurs expliquent la source de ce comportement surprenant et tracent une voie pour restaurer la conductivité dans ces cristaux remarquables, prisés pour leur utilisation potentielle dans les technologies futures, y compris les ordinateurs quantiques.

Les études ont été publiées dans la revue Science .

Depuis 15 ans, une classe de matériaux appelés isolants topologiques a dominé la recherche des matériaux du futur. Ces cristaux ont une propriété peu commune :leurs intérieurs sont des isolants - où les électrons ne peuvent pas circuler - mais leurs surfaces sont des conducteurs parfaits, où les électrons circulent sans résistance.

C'était le cas jusqu'à la découverte il y a deux ans que certains matériaux topologiques sont en fait incapables de conduire le courant à leur surface, un phénomène qui lui a valu le nom de « topologie fragile ».

« La topologie fragile est une bête étrange :il est maintenant prévu qu'elle existe dans des centaines de matériaux, " a déclaré B. Andrei Bernevig, professeur de physique à Princeton et co-auteur des deux articles. "C'est comme si le principe habituel sur lequel nous nous sommes appuyés pour déterminer expérimentalement un état topologique s'effondrait."

Pour comprendre comment se forment les États fragiles, les chercheurs se sont tournés vers deux ressources :les équations mathématiques et les imprimantes 3D. Avec Luis Elcoro à l'Université du Pays Basque, Le chercheur postdoctoral de Bernevig et Princeton, Zhi-Da Song, a élaboré une théorie mathématique pour expliquer ce qui se passe à l'intérieur des matériaux.

Prochain, Sebastian Huber et son équipe à l'ETH Zurich, en collaboration avec des chercheurs de Princeton, Institut des sciences Weizmann en Israël, Université de technologie de Chine du Sud, et l'Université de Wuhan, testé la théorie en construisant un matériau topologique grandeur nature à partir de plastiques imprimés en 3D.

Les matériaux topologiques tirent leur nom du domaine des mathématiques qui explique comment les formes telles que les beignets et les tasses à café sont liées (elles ont toutes deux un trou). Les mêmes principes peuvent expliquer comment les électrons sautent d'atome en atome à la surface d'environ 20, 000 ou plus de matériaux topologiques identifiés à ce jour. Les fondements théoriques des matériaux topologiques ont valu un prix Nobel de physique 2016 à F. Duncan Haldane, Professeur de physique à l'Université Sherman Fairchild de Princeton.

Ce qui rend ces cristaux si intéressants pour les scientifiques, ce sont leurs propriétés électroniques paradoxales. L'intérieur du cristal n'a pas la capacité de conduire le courant, c'est un isolant. Mais coupe le cristal en deux, et les électrons parcourront les surfaces nouvellement révélées sans aucune résistance, protégés par leur nature topologique.

L'explication réside dans la connexion entre les électrons de la surface et ceux de l'intérieur, ou en vrac. Les électrons peuvent être considérés non pas comme des particules individuelles, mais comme des vagues qui s'étendent comme des ondulations d'eau à partir d'un caillou jeté dans un étang. Dans cette vue de la mécanique quantique, l'emplacement de chaque électron est décrit par une onde d'étalement appelée fonction d'onde quantique. Dans un matériau topologique, la fonction d'onde quantique d'un électron dans la masse s'étend jusqu'au bord du cristal, ou limite de surface. Cette correspondance entre le volume et la frontière conduit à un état de surface parfaitement conducteur.

Ce principe de "correspondance en vrac-frontière" pour expliquer la conduction de surface topologique était largement accepté jusqu'à il y a deux ans, quand une poignée d'articles scientifiques a révélé l'existence d'une topologie fragile. Contrairement aux états topologiques habituels, les états topologiques fragiles n'ont pas d'états de surface conducteurs.

« Le principe habituel de correspondance en vrac-frontière s'effondre, " a déclaré Bernevig. Mais comment exactement est resté un casse-tête.

Dans le premier des deux Science papiers, Bernevig, Song et Elcoro fournissent une explication théorique d'une nouvelle correspondance de frontière en vrac pour expliquer la topologie fragile. Les collaborateurs montrent que la fonction d'onde électronique de la topologie fragile ne s'étend à la surface que dans des conditions spécifiques, ce que les chercheurs appellent une correspondance de frontière en vrac tordue.

L'équipe a en outre découvert que la correspondance torsadée des limites de volume peut être réglée de manière à ce que les états de surface conducteurs réapparaissent. « Sur la base des formes de fonction d'onde, nous avons conçu un ensemble de mécanismes pour introduire des interférences sur la frontière de telle sorte que l'état aux limites devienne nécessairement parfaitement conducteur, " a déclaré Luis Elcoro, professeur à l'Université du Pays Basque.

Trouver de nouveaux principes généraux est quelque chose qui intrigue toujours les physiciens, mais ce nouveau type de correspondance en vrac-frontière pourrait aussi avoir une certaine valeur pratique, selon les chercheurs. « La correspondance tordue des limites en vrac de la topologie fragile fournit une procédure potentielle pour contrôler l'état de surface, ce qui pourrait être utile en mécanique, applications électroniques et optiques, " dit la chanson.

Mais prouver que la théorie fonctionne était pratiquement impossible étant donné qu'il faudrait interférer avec les frontières à des échelles atomiques infiniment petites. L'équipe s'est donc tournée vers des collaborateurs pour construire un modèle grandeur nature avec lequel explorer leurs idées.

Dans la seconde Science papier, Sebastian Huber et son équipe de l'ETH Zurich ont construit un cristal topologique fictif à grande échelle en plastique à l'aide de pièces imprimées en 3D. Ils ont utilisé des ondes sonores pour représenter les fonctions d'onde des électrons. Ils ont inséré des barrières pour bloquer le chemin des ondes sonores, ce qui est analogue à la coupe du cristal pour révéler les surfaces conductrices. De cette façon, les chercheurs ont mimé la condition aux limites tordue, puis a montré qu'en le manipulant, ils pourraient démontrer qu'une onde sonore librement conductrice traverse la surface.

"C'était une idée et une réalisation très à gauche, " Huber a déclaré. "Nous pouvons maintenant montrer que pratiquement tous les états topologiques qui ont été réalisés dans nos systèmes artificiels sont fragiles, et pas stable comme on le pensait dans le passé. Ce travail apporte cette confirmation, mais bien plus, il introduit un nouveau principe global.