Une équipe de l'Université Rice et ses collaborateurs ont découvert une transition à température ambiante entre les états de conduction électrique 1D et 2D dans des cristaux topologiques de bismuth et d'iode.

Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient basculer le matériel, chaînes cristallines d'iodure de bismuth (Bi 4 je 4 ), entre les états de conduction d'ordre faible et élevé à une température de transition d'environ 80 degrés Fahrenheit. La recherche est disponible en ligne cette semaine dans le journal de l'American Physical Society Examen physique X et a été menée par des physiciens de Rice; l'Université du Texas à Dallas; l'Université de Californie, Berkeley; Université d'État de l'Ohio ; et d'autres établissements.

Bi 4 je 4 est un isolant topologique, un matériau conducteur sur sa surface ou ses bords mais pas à l'intérieur. Le réseau cristallin de Bi 4 je 4 subit un changement subtil à la température de transition. Le décalage modifie le comportement électronique du matériau, et l'étude a montré ce changement, ou "transition de phase, " est la frontière entre les états de conduction topologique 1D et 2D.

L'état 2D à haute température présente une conduction électrique autour des quatre côtés des cristaux rectangulaires. Les physiciens du riz Ming Yi, Jianwei Huang et leurs collaborateurs ont découvert que la conduction passait aux bords 1D lorsque le matériau était refroidi en dessous de 80 degrés.

"C'est la première preuve suggérant que l'état à basse température est en fait un isolant topologique d'ordre supérieur où la conduction se produit sur les charnières cristallines par opposition aux surfaces, " dit Yi, professeur adjoint de physique et d'astronomie et co-auteur de l'étude PRX. « Imaginez que vous démarrez à haute température, où vous avez un volume isolant et des surfaces conductrices sur les côtés du matériau. Dès que vous traversez cette distorsion structurelle, la conduction est confinée aux charnières unidimensionnelles où ces côtés se rencontrent."

Dans la plupart des matériaux, les différences entre les phases, comme la glace solide ou l'eau liquide, résultent de différentes symétries organisationnelles de leurs éléments constitutifs. Dans les années 1980, les physiciens ont découvert des phases de la matière avec des symétries identiques. Ceux-ci ont finalement été montrés pour résulter de propriétés topologiques, états quantiques "protégés" qui présentent un intérêt croissant pour le calcul quantique.

Yi a dit que le changement dimensionnel de la conduction électrique médié par Bi 4 je 4 La transition de phase de pourrait potentiellement être utilisée pour concevoir un interrupteur électrique actionné par changement de température.

"Cette transition se produit à température ambiante, " dit Yi. " C'est une transition de phase de premier ordre, ce qui signifie que le changement se produit très soudainement. C'est un petit décalage du réseau cristallin qui a un impact direct sur la conduction électrique sur les limites du cristal."

Huang, un associé de recherche postdoctoral Rice et auteur principal de l'étude, lesdits laboratoires du monde entier se précipitent pour trouver et cataloguer des matériaux topologiques, et les physiciens n'ont commencé que récemment à les classer en sous-familles.

Alors que Bi 4 je 4 la combinaison de propriétés est unique, Huang a déclaré que la découverte de cette semaine pourrait aider à la recherche de matériaux topologiques similaires.

"Nos résultats sont cohérents avec les prédictions théoriques récentes d'isolants topologiques d'ordre supérieur qui dépassent le cadre des bases de données de matériaux topologiques établies, " il a dit.

Le laboratoire de Yi et ses collaborateurs dans le laboratoire de l'auteur co-correspondant de l'UC Berkeley, Robert Birgeneau, ont utilisé une technique expérimentale appelée spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) pour cartographier Bi 4 je 4 caractéristiques du groupe électronique.

"ARPES est la meilleure sonde pour regarder les matériaux topologiques car il y a une signature très distincte qui dira si les matériaux sont topologiques ou non, " elle a dit.

Pour distinguer les états de conduction 1D et 2D, son équipe a dû « examiner différentes surfaces, et c'est extrêmement difficile à faire, " dit Yi.

Yi a déclaré que les contributions critiques provenaient des auteurs co-correspondants de l'UT Dallas, Fan Zhang, qui a fourni des conseils théoriques et des prévisions, et Bing Lv, dont le laboratoire a synthétisé Bi 4 je 4 des cristaux mesurant jusqu'à un centimètre de long, un millimètre de large et des centaines de microns d'épaisseur. La taille des cristaux a permis à Huang d'effectuer des mesures ARPES cruciales à la fois sur le dessus et sur les côtés des matériaux.