La recherche est lancée pour découvrir de nouveaux états de la matière, et éventuellement de nouveaux modes d'encodage, manipuler, et le transport d'informations. L'un des objectifs est d'exploiter les propriétés quantiques des matériaux pour des communications qui vont au-delà de ce qui est possible avec l'électronique conventionnelle. Les isolants topologiques - des matériaux qui agissent principalement comme des isolants mais transportent du courant électrique à travers leur surface - offrent des possibilités alléchantes.

« Explorer la complexité des matériaux topologiques, ainsi que d'autres phénomènes émergents intrigants tels que le magnétisme et la supraconductivité, est l'un des domaines d'intérêt les plus passionnants et les plus difficiles pour la communauté des sciences des matériaux au laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis, " a déclaré Peter Johnson, un physicien senior à la division Physique de la matière condensée et science des matériaux à Brookhaven. "Nous essayons de comprendre ces isolants topologiques car ils ont beaucoup d'applications potentielles, en particulier en sciences de l'information quantique, un nouveau domaine important pour la division."

Par exemple, les matériaux avec cette personnalité divisée isolant/conducteur présentent une séparation dans les signatures énergétiques de leurs électrons de surface avec un "spin" opposé. Cette propriété quantique pourrait potentiellement être exploitée dans des dispositifs « spintroniques » pour le codage et le transport d'informations. Aller un peu plus loin, le couplage de ces électrons avec le magnétisme peut conduire à des phénomènes nouveaux et passionnants.

"Lorsque vous avez du magnétisme près de la surface, vous pouvez avoir ces autres états exotiques de la matière qui résultent du couplage de l'isolant topologique avec le magnétisme, " dit Dan Nevola, un stagiaire postdoctoral travaillant avec Johnson. "Si nous pouvons trouver des isolants topologiques avec leur propre magnétisme intrinsèque, nous devrions être capables de transporter efficacement des électrons d'un spin particulier dans une direction particulière."

Dans une nouvelle étude qui vient d'être publiée et mise en évidence en tant que suggestion de l'éditeur dans Lettres d'examen physique , Névola, Johnson, et leurs coauteurs décrivent le comportement bizarre d'un tel isolant topologique magnétique. L'article comprend des preuves expérimentales que le magnétisme intrinsèque dans la majeure partie du tellurure de manganèse et de bismuth (MnBi2Te4) s'étend également aux électrons sur sa surface électriquement conductrice. Des études antérieures n'avaient pas été concluantes quant à l'existence ou non du magnétisme de surface.

Mais lorsque les physiciens ont mesuré la sensibilité des électrons de surface au magnétisme, un seul des deux états électroniques observés s'est comporté comme prévu. Un autre état de surface, qui devait avoir une réponse plus large, fait comme si le magnétisme n'était pas là.

« Le magnétisme est-il différent à la surface ? Ou y a-t-il quelque chose d'exotique que nous ne comprenons tout simplement pas ? » dit Nevola.

Johnson se penche vers l'explication de la physique exotique :"Dan a fait cette expérience très prudente, ce qui lui a permis de regarder l'activité dans la région de surface et d'identifier deux états électroniques différents sur cette surface, un qui pourrait exister sur n'importe quelle surface métallique et un qui reflète les propriétés topologiques du matériau, " dit-il. " Le premier était sensible au magnétisme, ce qui prouve que le magnétisme existe bel et bien dans la surface. Cependant, l'autre que nous pensions être plus sensible n'avait aucune sensibilité du tout. Donc, il doit y avoir de la physique exotique !"

Les mesures

Les scientifiques ont étudié le matériau à l'aide de divers types de spectroscopie de photoémission, où la lumière d'une impulsion laser ultraviolette projette des électrons hors de la surface du matériau et dans un détecteur pour la mesure.

"Pour l'une de nos expériences, nous utilisons une impulsion laser infrarouge supplémentaire pour donner un petit coup de fouet à l'échantillon pour déplacer certains des électrons avant de faire la mesure, " expliqua Nevola. " Il faut une partie des électrons et les fait monter [en énergie] pour devenir des électrons conducteurs. Puis, en très, des échelles de temps très courtes - des picosecondes - vous effectuez la mesure pour voir comment les états électroniques ont changé en réponse. "

La carte des niveaux d'énergie des électrons excités montre deux bandes de surface distinctes qui présentent chacune des branches distinctes, électrons dans chaque branche ayant un spin opposé. Les deux bandes, représentant chacun un des deux états électroniques, devaient répondre à la présence de magnétisme.

Pour tester si ces électrons de surface étaient bien sensibles au magnétisme, les scientifiques ont refroidi l'échantillon à 25 Kelvin, permettant à son magnétisme intrinsèque d'émerger. Cependant, ce n'est qu'à l'état électronique non topologique qu'ils ont observé une « lacune » s'ouvrant dans la partie anticipée du spectre.

« Dans de tels écarts, il est interdit aux électrons d'exister, et ainsi leur disparition de cette partie du spectre représente la signature de l'écart, " dit Nevola.

L'observation d'un espace apparaissant dans l'état de surface régulier était une preuve définitive de la sensibilité magnétique et la preuve que le magnétisme intrinsèque dans la masse de ce matériau particulier s'étend à ses électrons de surface.

Cependant, l'état électronique « topologique » que les scientifiques ont étudié ne montrait pas une telle sensibilité au magnétisme – pas d'écart.

"Cela jette un peu un point d'interrogation, " a déclaré Johnson.

"Ce sont des propriétés que nous aimerions pouvoir comprendre et concevoir, tout comme nous concevons les propriétés des semi-conducteurs pour une variété de technologies, " Johnson a continué.

En spintronique, par exemple, l'idée est d'utiliser différents états de spin pour coder les informations de la même manière que les charges électriques positives et négatives sont actuellement utilisées dans les dispositifs à semi-conducteurs pour coder les "bits" - 1 et 0 - du code informatique. Mais les bits quantiques codés par spin, ou qubits, ont beaucoup plus d'états possibles, pas seulement deux. Cela augmentera considérablement le potentiel de codage des informations de manières nouvelles et puissantes.

« Tout ce qui concerne les isolants topologiques magnétiques semble convenir à ce type d'application technologique, mais ce matériau particulier n'obéit pas tout à fait aux règles, " a déclaré Johnson.

Alors maintenant, alors que l'équipe poursuit sa recherche de nouveaux états de la matière et de nouvelles connaissances sur le monde quantique, il y a une nouvelle urgence à expliquer le comportement quantique bizarre de ce matériau particulier.