La découverte, publiée dans Nature , est survenu lorsque les scientifiques de Princeton ont découvert qu'un cristal solide élémentaire composé d'atomes d'arsenic (As) héberge une forme de comportement quantique topologique jamais observée auparavant. Ils ont pu explorer et imager ce nouvel état quantique à l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM) et de la spectroscopie de photoémission, cette dernière étant une technique utilisée pour déterminer l'énergie relative des électrons dans les molécules et les atomes.

Cet état combine, ou « hybride », deux formes de comportement quantique topologique :les états de bord et les états de surface, qui sont deux types de systèmes électroniques quantiques bidimensionnels. Ceux-ci ont été observés lors d'expériences précédentes, mais jamais simultanément dans le même matériau où ils se mélangent pour former un nouvel état de la matière.

"Cette découverte était complètement inattendue", a déclaré M. Zahid Hasan, professeur de physique Eugene Higgins à l'Université de Princeton, qui a dirigé la recherche. "Personne ne l'avait prédit en théorie avant son observation."

Ces dernières années, l’étude des états topologiques de la matière a attiré une attention considérable parmi les physiciens et les ingénieurs et fait actuellement l’objet de nombreux intérêts et recherches au niveau international. Ce domaine d'étude combine la physique quantique et la topologie, une branche des mathématiques théoriques qui explore les propriétés géométriques qui peuvent être déformées mais pas intrinsèquement modifiées.

Depuis plus d’une décennie, les scientifiques utilisent des isolants topologiques à base de bismuth (Bi) pour démontrer et explorer les effets quantiques exotiques dans les solides en vrac, principalement en fabriquant des matériaux composés, comme le mélange de Bi avec du sélénium (Se), par exemple. Cependant, cette expérience est la première fois que des effets topologiques sont découverts dans des cristaux constitués de l'élément As.

"La recherche et la découverte de nouvelles propriétés topologiques de la matière sont devenues l'un des trésors les plus recherchés de la physique moderne, à la fois du point de vue de la physique fondamentale et pour trouver des applications potentielles dans la science et l'ingénierie quantiques de nouvelle génération", a déclaré Hasan. "La découverte de ce nouvel état topologique réalisé dans un solide élémentaire a été rendue possible grâce à de multiples avancées expérimentales et instrumentations innovantes dans notre laboratoire de Princeton."

Un solide élémentaire constitue une plate-forme expérimentale inestimable pour tester divers concepts de topologie. Jusqu’à présent, le bismuth a été le seul élément qui héberge une riche tapisserie topologique, conduisant à deux décennies d’activités de recherche intensives. Ceci est en partie attribué à la propreté du matériau et à la facilité de synthèse. Cependant, la découverte actuelle de phénomènes topologiques encore plus riches dans l'arsenic ouvrira potentiellement la voie à de nouvelles orientations de recherche soutenues.

"Pour la première fois, nous démontrons qu'à l'instar de différents phénomènes corrélés, des ordres topologiques distincts peuvent également interagir et donner naissance à des phénomènes quantiques nouveaux et intrigants", a déclaré Hasan.

Un matériau topologique est le principal composant utilisé pour étudier les mystères de la topologie quantique. Cet appareil agit comme un isolant à l'intérieur, ce qui signifie que les électrons à l'intérieur ne sont pas libres de se déplacer et ne conduisent donc pas l'électricité.

Cependant, les électrons situés sur les bords de l’appareil sont libres de se déplacer, ce qui signifie qu’ils sont conducteurs. De plus, en raison des propriétés particulières de la topologie, les électrons circulant le long des bords ne sont gênés par aucun défaut ou déformation. Ce type d'appareil a le potentiel non seulement d'améliorer la technologie, mais également de générer une meilleure compréhension de la matière elle-même en sondant les propriétés de l'électronique quantique.

Hasan a noté que l'utilisation de matériaux topologiques pour des applications pratiques suscite beaucoup d'intérêt. Mais deux avancées importantes doivent être réalisées avant que cela puisse se concrétiser. Premièrement, les effets topologiques quantiques doivent se manifester à des températures plus élevées. Deuxièmement, il faut trouver des systèmes matériels simples et élémentaires (comme le silicium pour l'électronique conventionnelle) capables d'héberger des phénomènes topologiques.

"Dans nos laboratoires, nous déployons des efforts dans les deux sens :nous recherchons des systèmes de matériaux plus simples, faciles à fabriquer et où les effets topologiques essentiels peuvent être trouvés", a déclaré Hasan. "Nous cherchons également comment faire en sorte que ces effets survivent à température ambiante."

Contexte de l'expérience

Les racines de cette découverte résident dans le fonctionnement de l'effet Hall quantique, une forme d'effet topologique qui a fait l'objet du prix Nobel de physique en 1985. Depuis lors, les phases topologiques ont été étudiées et de nombreuses nouvelles classes de matériaux quantiques avec des caractéristiques topologiques ont été étudiées. des structures électroniques ont été trouvées. Plus particulièrement, Daniel Tsui, professeur émérite Arthur Legrand Doty de génie électrique à Princeton, a remporté le prix Nobel de physique en 1998 pour avoir découvert l'effet Hall quantique fractionnaire.

De même, F. Duncan Haldane, professeur de physique Eugene Higgins à Princeton, a remporté le prix Nobel de physique 2016 pour ses découvertes théoriques sur les transitions de phase topologiques et un type d'isolant topologique bidimensionnel (2D). Des développements théoriques ultérieurs ont montré que les isolants topologiques peuvent prendre la forme de deux copies du modèle de Haldane basé sur l'interaction spin-orbite de l'électron.

Hasan et son équipe de recherche ont suivi les traces de ces chercheurs en étudiant d'autres aspects des isolants topologiques et en recherchant de nouveaux états de la matière. Cela les a conduits, en 2007, à la découverte des premiers exemples d'isolateurs topologiques tridimensionnels (3D). Depuis lors, Hasan et son équipe ont mené une décennie de recherche d'un nouvel état topologique dans sa forme la plus simple, capable également de fonctionner à température ambiante.

"Une conception de chimie atomique et de structure appropriée couplée à la théorie des premiers principes est l'étape cruciale pour rendre la prédiction spéculative de l'isolant topologique réaliste dans un environnement à haute température", a déclaré Hasan.

"Il existe des centaines de matériaux quantiques, et nous avons besoin à la fois d'intuition, d'expérience, de calculs spécifiques aux matériaux et d'efforts expérimentaux intenses pour trouver le bon matériau pour une exploration en profondeur. Et cela nous a emmenés dans un voyage d'une décennie pour étudier de nombreux matériaux quantiques. matériaux à base de matériaux, conduisant à de nombreuses découvertes fondamentales. "

L'expérience

Les matériaux à base de bismuth sont capables, du moins en principe, d’héberger un état topologique de la matière à haute température. Cependant, ceux-ci nécessitent une préparation de matériaux complexes dans des conditions d’ultra-vide. Les chercheurs ont donc décidé d’explorer plusieurs autres systèmes. Le chercheur postdoctoral Md. Shafayat Hossain a suggéré un cristal fait d'arsenic car il peut être cultivé sous une forme plus propre que de nombreux composés de bismuth.

Lorsque Hossain et Yuxiao Jiang, un étudiant diplômé du groupe Hasan, ont allumé le STM sur l'échantillon d'arsenic, ils ont été accueillis par une observation dramatique :l'arsenic gris, une forme d'arsenic à l'apparence métallique, abrite à la fois des états de surface topologiques et des états de bord. simultanément.

"Nous avons été surpris. L'arsenic gris était censé avoir uniquement des états de surface. Mais lorsque nous avons examiné les bords atomiques, nous avons également trouvé de magnifiques modes de bords conducteurs", a déclaré Hossain.

"Un bord de marche monocouche isolé ne devrait pas avoir un mode de bord sans espace", a ajouté Jiang, co-premier auteur de l'étude.

C’est ce que montrent les calculs de Frank Schindler, chercheur postdoctoral et théoricien de la matière condensée à l’Imperial College de Londres au Royaume-Uni, et de Rajibul Islam, chercheur postdoctoral à l’Université d’Alabama à Birmingham, en Alabama. Tous deux sont les co-premiers auteurs de l'article.

"Une fois qu'un bord est placé au-dessus de l'échantillon global, les états de surface s'hybrident avec les états espacés sur le bord et forment un état sans espace", a déclaré Schindler.

"C'est la première fois que nous assistons à une telle hybridation", a-t-il ajouté.

Physiquement, un tel état sans interruption sur le bord de la marche n'est pas attendu séparément pour les isolants topologiques forts ou d'ordre supérieur, mais uniquement pour les matériaux hybrides dans lesquels les deux types de topologie quantique sont présents. Cet état sans espace est également différent des états de surface ou de charnière dans les isolants topologiques forts et d'ordre supérieur, respectivement. Cela signifie que l'observation expérimentale réalisée par l'équipe de Princeton a immédiatement indiqué un type d'état topologique jamais observé auparavant.

David Hsieh, président de la division de physique de Caltech et chercheur non impliqué dans l'étude, a souligné les conclusions innovantes de l'étude.

"En général, nous considérons que la structure de bande globale d'un matériau appartient à l'une des nombreuses classes topologiques distinctes, chacune étant liée à un type spécifique d'état limite", a déclaré Hsieh. "Ce travail montre que certains matériaux peuvent simultanément se diviser en deux classes. Plus intéressant encore, les états limites émergeant de ces deux topologies peuvent interagir et se reconstruire en un nouvel état quantique qui est plus qu'une simple superposition de ses parties."

Les chercheurs ont ensuite étayé les mesures de microscopie à effet tunnel par une spectroscopie systématique de photoémission à résolution angulaire à haute résolution.

"L'échantillon gris As est très propre et nous avons trouvé des signatures claires d'un état de surface topologique", a déclaré Zi-Jia Cheng, étudiant diplômé du groupe Hasan et co-premier auteur de l'article qui a effectué certaines des mesures de photoémission. .

La combinaison de plusieurs techniques expérimentales a permis aux chercheurs de sonder la correspondance unique volume-surface-bord associée à l'état topologique hybride et de corroborer les résultats expérimentaux.

Implications des résultats

L’impact de cette découverte est double. L’observation combinée du mode de bord topologique et de l’état de surface ouvre la voie à la conception de nouveaux canaux topologiques de transport d’électrons. Cela pourrait permettre la conception de nouveaux dispositifs de science de l'information quantique ou d'informatique quantique.

Les chercheurs de Princeton ont démontré que les modes de bord topologiques ne sont présents que le long de configurations géométriques spécifiques compatibles avec les symétries du cristal, ouvrant ainsi la voie à la conception de diverses formes de futurs nanodispositifs et d'électronique basée sur le spin.

D'un point de vue plus large, la société bénéficie de la découverte de nouveaux matériaux et de nouvelles propriétés, a déclaré Hasan. Dans les matériaux quantiques, l'identification de solides élémentaires en tant que plates-formes matérielles, comme l'antimoine hébergeant une topologie forte ou le bismuth hébergeant une topologie d'ordre supérieur, a conduit au développement de nouveaux matériaux qui ont énormément profité au domaine des matériaux topologiques.

"Nous envisageons que l'arsenic, avec sa topologie unique, puisse servir de nouvelle plate-forme à un niveau similaire pour développer de nouveaux matériaux topologiques et dispositifs quantiques qui ne sont actuellement pas accessibles via les plates-formes existantes", a déclaré Hasan.

Le groupe de Princeton conçoit et construit de nouvelles expériences pour l'exploration des matériaux isolants topologiques depuis plus de 15 ans. Entre 2005 et 2007, par exemple, l'équipe dirigée par Hasan a découvert l'ordre topologique dans un solide en vrac tridimensionnel de bismuth-antimoine, un alliage semi-conducteur et des matériaux topologiques de Dirac associés à l'aide de nouvelles méthodes expérimentales.

Cela a conduit à la découverte de matériaux magnétiques topologiques. Entre 2014 et 2015, ils ont découvert et développé une nouvelle classe de matériaux topologiques appelés semi-métaux magnétiques de Weyl.

Les chercheurs pensent que cette découverte ouvrira la porte à une multitude de possibilités de recherche et d'applications futures dans les technologies quantiques, en particulier dans les technologies dites « vertes ».

"Notre recherche constitue un pas en avant dans la démonstration du potentiel des matériaux topologiques pour l'électronique quantique avec des applications économes en énergie", a déclaré Hasan.