Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo ont mis en lumière la relation entre les propriétés magnétiques des isolants topologiques et leur structure de bande électronique. Leurs résultats expérimentaux offrent de nouveaux éclairages sur les débats récents concernant l'évolution de la structure de bande avec la température dans ces matériaux, qui présentent des phénomènes quantiques inhabituels et sont considérés comme cruciaux dans l'électronique de nouvelle génération, spintronique, et les ordinateurs quantiques.

Les isolants topologiques ont la propriété particulière d'être électriquement conducteurs en surface mais isolants à l'intérieur. Cette apparence simple, caractéristique unique permet à ces matériaux d'héberger une pléthore de phénomènes quantiques exotiques qui seraient utiles pour les ordinateurs quantiques, spintronique, et des systèmes optoélectroniques avancés.

Pour débloquer certaines des propriétés quantiques inhabituelles, cependant, il est nécessaire d'induire du magnétisme dans les isolants topologiques. En d'autres termes, une sorte d'« ordre » dans la façon dont les électrons du matériau s'alignent les uns par rapport aux autres doit être atteint. En 2017, une nouvelle méthode pour réaliser cet exploit a été proposée. Appelé 'extension magnétique, ' la technique consiste à insérer une monocouche d'un matériau magnétique dans la couche la plus haute de l'isolant topologique, qui contourne les problèmes causés par d'autres méthodes disponibles comme le dopage avec des impuretés magnétiques.

Malheureusement, l'utilisation de l'extension magnétique a conduit à des questions complexes et à des réponses contradictoires concernant la structure de bande électronique des matériaux résultants, qui dicte les niveaux d'énergie possibles des électrons et détermine finalement les propriétés conductrices du matériau. Les isolants topologiques sont connus pour présenter ce que l'on appelle un cône de Dirac (DC) dans leur structure de bande électronique qui ressemble à deux cônes se faisant face. En théorie, le courant continu est inexploité pour les isolants topologiques ordinaires, mais devient béant en induisant le magnétisme. Cependant, la communauté scientifique ne s'est pas entendue sur la corrélation entre l'écart entre les deux pointes de cône et les caractéristiques magnétiques du matériau expérimentalement.

Dans un récent effort pour régler cette affaire, des scientifiques de plusieurs universités et instituts de recherche ont mené une étude collaborative dirigée par Assoc Prof Toru Hirahara de Tokyo Tech, Japon. Ils ont fabriqué des structures topologiques magnétiques en déposant du Mn et du Te sur Bi 2 Te 3 , un isolant topologique bien étudié. Les scientifiques ont émis l'hypothèse que des couches de Mn supplémentaires interagiraient plus fortement avec Bi 2 Te 3 et que les propriétés magnétiques émergentes pourraient être attribuées à des changements dans l'entrefer DC, comme l'explique Hirahara :"Nous espérions que de fortes interactions magnétiques intercouches conduiraient à une situation où la correspondance entre les propriétés magnétiques et l'entrefer DC était claire par rapport aux études précédentes."

En examinant les structures de bandes électroniques et les caractéristiques de photoémission des échantillons, ils ont démontré comment l'écart DC se referme progressivement à mesure que la température augmente. En outre, ils ont analysé la structure atomique de leurs échantillons et trouvé deux configurations possibles, MnBi 2 Te 4 /Bi 2 Te 3 et Mn 4 Bi 2 Te 7 /Bi 2 Te 3 , ce dernier étant responsable de l'écart DC.

Cependant, une découverte particulièrement déroutante était que la température à laquelle l'écart DC se ferme est bien au-dessus de la température critique (TC), au-dessus duquel les matériaux perdent leur ordre magnétique permanent. Cela contraste fortement avec les études précédentes qui indiquaient que l'écart DC peut toujours être ouvert à une température supérieure au TC du matériau sans se fermer. Sur cette note, Hirahara remarque :« Nos résultats montrent, pour la première fois, que la perte de l'ordre magnétique à longue portée au-dessus du TC et la fermeture de l'entrefer DC ne sont pas corrélées."

Bien que des efforts supplémentaires soient nécessaires pour clarifier la relation entre la nature de l'entrefer DC et les propriétés magnétiques, cette étude est un pas dans la bonne direction. Avec un peu de chance, une meilleure compréhension de ces phénomènes quantiques nous aidera à tirer parti de la puissance des isolants topologiques pour l'électronique et l'informatique quantique de nouvelle génération.