Les isolants topologiques (IT) sont des matériaux isolants en vrac qui présentent néanmoins une conductivité métallique sur leurs surfaces. Cette conductivité est garantie par la topologie de la structure de la bande massive - la surface présente ces états tant que la symétrie définissant l'indice topologique reste la même.

Dans les TI dits forts, ces états sont protégés et donc présents sur toutes les surfaces. Dans les TI faibles cependant, ces propriétés ne sont protégées que sur les surfaces avec une certaine orientation. Empiler des TI en deux dimensions, c'est QSHIs, pour former un cristal tridimensionnel, par exemple, produit généralement un TI faible sans états protégés sur les surfaces supérieure ou inférieure du cristal :il existe des états de surface métalliques hérités des états de bord du TI 2-D, mais aussi un plan de surface isolant perpendiculaire à la direction d'empilement.

Travaux théoriques récents, également réalisé par les chercheurs de MARVEL, suggéré cependant que cela pourrait ne pas être le cas pour empilé, ou en vrac, jacutingaite. La recherche a suggéré un scénario plus compliqué :le matériau peut être un isolant cristallin topologique (TCI) ainsi qu'un TI faible. Dans les TCI, la topologie est définie par la symétrie par rapport à un plan miroir et des états de surface métalliques peuvent être trouvés sur des surfaces perpendiculaires à celui-ci. Cet état peut être attendu dans le matériau en raison de sa triple symétrie miroir. Jacutingaite maintient également la symétrie de translation dans l'empilement des couches cependant, ce qui signifie qu'il pourrait également présenter les propriétés d'un TI faible. Jusqu'à maintenant, cependant, il n'y a pas eu de résultats expérimentaux sur la structure de bande massive.

Recherche initiée par le laboratoire THEOS de l'EPFL et réalisée en collaboration avec le Département de physique de la matière quantique de l'Université de Genève et d'autres groupes dont la Diamond Light Source au Royaume-Uni, a maintenant cependant décrit la toute première synthèse d'un monocristal de jacutingaite et a utilisé l'échantillon pour fournir des preuves de leur nature à double topologie en comparant la structure électronique de masse et de surface déterminée à partir d'expériences de photoémission à résolution angulaire basée sur le synchrotron (ARPES) avec DFT calculs. Le papier, Structure électronique en vrac et de surface du pt semi-métal à double topologie 2 HgSe 3 , a récemment été publié dans Lettres d'examen physique .

Les travaux ont révélé des états de surface topologiquement protégés dans le plan de clivage naturel (001) du matériau, inattendu car il devrait plutôt supporter une phase topologique faible puisqu'il s'agit d'un empilement de QSHI 2-D. Les calculs de certains invariants topologiques ont confirmé la faible phase d'isolant topologique généralement caractérisée par des modes sans gap sur les surfaces latérales, mais des états complètement espacés sur les surfaces supérieure et inférieure. Les états de surface trouvés sur la surface 001 ont donc été supposés être la manifestation d'une phase topologique différente.

Les chercheurs ont émis l'hypothèse que cela pourrait être une indication de la phase TCI associée à la symétrie triple miroir du cristal. Dans ce cas, des états de surface topologiquement protégés sont attendus sur des surfaces cristallines qui préservent la symétrie du miroir et ce fut le cas pour la surface clivée (001).

En utilisant les calculs des premiers principes, les chercheurs ont pu identifier cet état de surface comme la signature d'une phase TCI qui coexiste avec la phase générique WTI retrouvée dans les mêmes calculs. Les résultats fournissent ainsi des preuves de la topologie double prédite de Pt 2 HgSe 3 . Ce qui n'a pas été clair cependant, c'est le mécanisme derrière le statut de la jacutingaite en tant qu'isolant topologique double.

Ce même sujet a été abordé dans les travaux théoriques développés à THEOS de l'EPFL, recherche qui a complété les travaux expérimentaux et informatiques effectués dans l'autre article. Dans l'article Topologie double émergente dans le Kane-Mele Pt tridimensionnel 2 HgSe 3 , chercheurs Antimo Marrazzo, Nicola Marzari, et collègue Marco Gibertini à l'Université de Genève, anciennement de THEOS, étendu le modèle bidimensionnel de Kane-Mele (KM) utilisé pour décrire les matériaux topologiques à la jacutingaite en vrac. L'article a été récemment publié dans Physical Review Research.

Ils ont montré que la topologie inattendue de la jacutingaite en vrac provient d'une forte hybridation intercouche qui conduit à une généralisation 3-D du modèle KM. Alors que les couches les plus proches sont presque découplées, il y a un grand, terme de saut particulier qui indique un couplage fort entre des couches distantes de deux couches. Les couches paires et impaires sont alors plus ou moins indépendantes et peuvent être décrites séparément par un modèle KM 3D, surnommé J3KM dans le journal, qui comprend une inversion de bande entraînée par ce nouveau terme de saut. Il en résulte une ligne nodale qui est interrompue par le couplage spin-orbite et un nombre de Chern non nul, c'est-à-dire états de surface protégés conformes aux ITC. Cependant, lorsque le couplage entre les couches paires et impaires est restauré, le matériau agit à nouveau comme un WTI.

Cet aperçu fournit une compréhension microscopique de la double topologie émergente du matériau. Le modèle J3KM prédit la présence d'états de surface et de lignes nodales écartées par les interactions spin-orbite, en accord avec les mesures ARPES et les simulations de principes premiers réalisées dans l'autre article. Le modèle est pertinent pour tous les autres matériaux stratifiés constitués de réseaux en nid d'abeilles empilés et fournit une stratégie attrayante pour briser le paradigme standard des isolants topologiques faibles.

Finalement, la combinaison des preuves expérimentales, Les simulations de principes premiers et les modèles théoriques sur la jacutingaite 3-D soutiennent la prédiction antérieure de THEOS selon laquelle la jacutingaite 2-D est un isolant Hall à spin quantique Kane-Mele (de type graphène).