L’état d’interface chirale est un canal conducteur qui permet aux électrons de se déplacer dans une seule direction, les empêchant d’être diffusés vers l’arrière et provoquant une résistance électrique gaspillant de l’énergie. Les chercheurs s'efforcent de mieux comprendre les propriétés des états d'interface chirale dans les matériaux réels, mais visualiser leurs caractéristiques spatiales s'est avéré exceptionnellement difficile.

Mais maintenant, pour la première fois, des images à résolution atomique capturées par une équipe de recherche du Berkeley Lab et de l’UC Berkeley ont directement visualisé un état d’interface chiral. Les chercheurs ont également démontré la création à la demande de ces canaux conducteurs sans résistance dans un isolant 2D.

Leurs travaux, rapportés dans la revue Nature Physics , fait partie des efforts plus larges du Berkeley Lab visant à faire progresser l'informatique quantique et d'autres applications de systèmes d'information quantiques, y compris la conception et la synthèse de matériaux quantiques pour répondre aux besoins technologiques pressants.

"Des expériences antérieures ont démontré l'existence d'états d'interface chiraux, mais personne ne les a jamais visualisés avec une résolution aussi élevée. Nos travaux montrent pour la première fois à quoi ressemblent ces états 1D à l'échelle atomique, y compris comment nous pouvons les modifier, et même créez-les ", a déclaré le premier auteur Canxun Zhang, ancien chercheur étudiant diplômé de la division des sciences des matériaux du laboratoire de Berkeley et du département de physique de l'UC Berkeley. Il est maintenant chercheur postdoctoral à l'UC Santa Barbara.

Les états d'interface chirale peuvent se produire dans certains types de matériaux 2D connus sous le nom d'isolants Hall anormaux quantiques (QAH) qui sont des isolants en vrac mais conduisent les électrons sans résistance au niveau des « bords » unidimensionnels – les limites physiques du matériau et les interfaces avec d'autres matériaux.

Pour préparer les états d'interface chirale, l'équipe a travaillé à la fonderie moléculaire du Berkeley Lab pour fabriquer un dispositif appelé graphène monocouche-bicouche torsadé, qui est un empilement de deux couches atomiquement minces de graphène tournées avec précision l'une par rapport à l'autre, créant un super-réseau moiré qui présente le Effet QAH.

Dans des expériences ultérieures au département de physique de l'UC Berkeley, les chercheurs ont utilisé un microscope à effet tunnel (STM) pour détecter différents états électroniques dans l'échantillon, leur permettant ainsi de visualiser la fonction d'onde de l'état de l'interface chirale. D'autres expériences ont montré que l'état de l'interface chirale peut être déplacé à travers l'échantillon en modulant la tension sur une électrode de grille placée sous les couches de graphène.

Dans une dernière démonstration de contrôle, les chercheurs ont montré qu'une impulsion de tension provenant de la pointe d'une sonde STM pouvait « écrire » un état d'interface chirale dans l'échantillon, l'effacer et même en réécrire un nouveau où les électrons circulent dans la direction opposée.

Les résultats pourraient aider les chercheurs à construire des réseaux accordables de canaux électroniques prometteurs pour une microélectronique économe en énergie et des dispositifs de mémoire magnétique de faible consommation à l'avenir, ainsi que pour le calcul quantique utilisant les comportements électroniques exotiques des isolateurs QAH.

Les chercheurs ont l'intention d'utiliser leur technique pour étudier une physique plus exotique dans des matériaux connexes, tels que les anyons, un nouveau type de quasiparticules qui pourraient ouvrir la voie au calcul quantique.

"Nos résultats fournissent des informations qui n'étaient pas possibles auparavant. Il reste encore beaucoup de chemin à parcourir, mais c'est un bon premier pas", a déclaré Zhang.