Les matériaux quantiques topologiques sont considérés comme la pierre angulaire des futurs progrès technologiques. Pourtant, valider leurs qualités exceptionnelles a toujours été un long processus.
Les chercheurs du pôle d'excellence ct.qmat ont désormais développé une technique expérimentale qui identifie systématiquement les matériaux topologiques bidimensionnels grâce à un test rapide. Cette avancée pourrait contribuer à accélérer les progrès de cette classe de matériaux en plein essor.
Leurs conclusions ont été publiées dans la revue Physical Review Letters. .
En 2007, le professeur Laurens W. Molenkamp, membre fondateur du pôle d'excellence Würzburg-Dresde ct.qmat (Complexité et topologie dans la matière quantique) a fourni la première preuve expérimentale d'isolants topologiques, une nouvelle classe de matériaux. Ces matériaux se distinguent car bien que leur intérieur se comporte comme un isolant électrique, ils conduisent les électrons à leur surface sans aucune résistance.
Depuis cette découverte révolutionnaire, l’intérêt mondial pour ces matériaux a augmenté. Cela est dû à leur rôle essentiel dans une révolution potentielle des matériaux et à leurs applications prometteuses dans les technologies quantiques, telles que le développement de « puces froides » qui sont puissantes, économes en énergie et ne génèrent pas de chaleur perdue.
"Actuellement, la détection expérimentale d'isolants topologiques nécessite des recherches très complexes. La préparation d'un échantillon du matériau nécessite une grande équipe et beaucoup de temps. De plus, une détection réussie n'est jamais garantie", note le professeur Ralph Claessen, porte-parole de ct.qmat à Würzburg.
Mais maintenant, une équipe de recherche ct.qmat de Würzburg a mis au point une méthode systématique pour identifier les matériaux quantiques topologiques bidimensionnels en un temps record en utilisant une technique de mesure beaucoup plus simple. "Essentiellement, en plus d'un échantillon de matériau prometteur, tout ce dont vous avez réellement besoin, ce sont des rayons X spéciaux", explique le Dr Simon Moser, responsable du projet au JMU Würzburg.
"Les particules lumineuses requises doivent être à haute fréquence et polarisées circulairement, ce qui signifie qu'elles possèdent un moment cinétique. Ceci peut être réalisé en utilisant n'importe quelle source de lumière synchrotron.
"Par exemple, nos échantillons ont été irradiés à l'Elettra Sincrotrone à Trieste et à la Diamond Light Source, l'installation scientifique nationale synchrotron du Royaume-Uni située sur le Harwell Science and Innovation Campus dans l'Oxfordshire."
Ce qui semble simple est en réalité une avancée majeure dans la recherche sur les matériaux quantiques topologiques. "Si vous réservez un emplacement dans un synchrotron, vous pouvez déterminer en une semaine environ si un matériau est un isolant topologique. Avec la méthode traditionnelle, cela nécessite au moins une thèse de doctorat", note Moser.
L’essence de la nouvelle méthode de test rapide réside dans la photoémission dichroïque. L'échantillon de matériau est exposé plusieurs fois à une lumière haute fréquence avec une polarisation variable. Au départ, seuls les électrons qui tournent dans le sens des aiguilles d’une montre, par exemple, sont libérés du matériau. Par la suite, seuls les électrons qui tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre sont libérés.
Détecter les différents sens de rotation des électrons par photoémission dichroïque et ainsi découvrir leur topologie n’est pas une idée nouvelle. En 2023, une autre équipe ct.qmat de Würzburg a utilisé cette méthode pour analyser pour la première fois la topologie d'un métal kagome.
"Ils ont utilisé la photoémission circulaire pour étudier le métal kagome. Nous nous sommes concentrés sur la méthodologie et avons développé une sorte de recette qui fonctionne désormais toujours, et non par hasard", explique Moser, expliquant la nouvelle approche de son équipe. "Notre test rapide rend systématiquement visible la topologie des électrons."
Comme les chercheurs ont une expérience de longue date dans l’étude du matériau quantique bidimensionnel qu’est l’indène, ils ont également utilisé ce matériau pour développer la méthode de test rapide. De plus, ils appliquent déjà ce principe à d’autres matériaux. Une expérience récente consistait à irradier un échantillon de bismuthène, et les données seront analysées prochainement.
