Des phases topologiques doubles ont été découvertes dans un cristal monocouche intrinsèque, une découverte qui révèle des propriétés nouvelles et uniques de contournement des règles dans un matériau quantique, a récemment rapporté une équipe internationale de scientifiques dirigée par des physiciens du Boston College dans la version en ligne de la revue Nature .
La découverte d'un double isolant topologique introduit une nouvelle méthode pour créer des minibandes topologiques plates via des interactions électroniques, qui offrent une plate-forme prometteuse pour l'exploration des phases quantiques exotiques et de l'électromagnétisme, a rapporté l'équipe.
"Nous avons produit expérimentalement des échantillons atomiquement minces de haute qualité de TaIrTe4 et développé les dispositifs électroniques correspondants", Qiong Ma, professeur adjoint de physique au Boston College et auteur principal du rapport. "Ce qui est particulièrement intrigant est notre découverte non pas d'un, mais de deux états isolants topologiques, au-delà des prédictions de la théorie."
Les résultats introduisent un nouvel effet que l'équipe appelle le double isolant topologique ou l'isolant Hall à double spin quantique, a déclaré Ma.
Couches bidimensionnelles exceptionnellement fines d'un matériau cristallin appelé TaIrTe4 , créés à partir de tantale, d'iridium et de tellure, ont fait l'objet d'une équipe de scientifiques de la Colombie-Britannique, du MIT, de l'Université Harvard, de l'UCLA, du Texas A&M, de l'Université du Tennessee, de l'Université technologique Nanyang de Singapour, de l'Académie chinoise des sciences et du National Japan's National Institut de science des matériaux.
Chaque couche a une épaisseur inférieure à 1 nanomètre, soit plus de 100 000 fois plus fine qu'une mèche de cheveux humains. Ces couches, ou « flocons », ont été soigneusement décollées d'un cristal plus grand à l'aide d'une méthode simple impliquant du ruban adhésif transparent, une technique récompensée par le prix Nobel et largement utilisée dans la science des matériaux.
"Notre enquête visait à comprendre comment ces matériaux conduisent l'électricité", a expliqué Ma. "Étant donné la taille minuscule de ces matériaux, nous avons utilisé des techniques avancées de nanofabrication, notamment la photolithographie et la lithographie par faisceau d'électrons, pour établir des contacts électriques de taille nanométrique."
Ma a déclaré que l'objectif principal du projet était de tester la prédiction théorique suggérant le TaIrTe4 le plus mince. La couche agit comme un isolant topologique bidimensionnel, également connu sous le nom d'isolant Hall à spin quantique, un nouveau matériau dont l'intérieur est isolant et où l'électricité circule le long de ses limites sans aucune perte d'énergie. Cette combinaison unique fait de ces matériaux une priorité pour les chercheurs qui tentent de développer les futures générations d'appareils électroniques économes en énergie.
Grâce à la manipulation de paramètres spécifiques, appelés tensions de grille, l'équipe a découvert TaIrTe4 C'est la transition entre les deux états topologiques distincts, a déclaré Ma. Dans les deux cas, le matériau présente une conductivité électrique nulle à l’intérieur de son intérieur, tandis que ses limites restent conductrices. Grâce à une enquête expérimentale et théorique systématique, nous avons déterminé que ces deux états topologiques proviennent d'origines disparates.
Les résultats, qui ont dépassé les prévisions théoriques, ont surpris les scientifiques.
"En général, l'ajout d'électrons à un matériau augmente sa conductivité en raison du plus grand nombre de porteurs de charge ou d'électricité", a expliqué Ma. "Au départ, notre système s'est comporté comme prévu et est devenu plus conducteur avec l'ajout d'électrons.
"Cependant, au-delà d'un certain point, l'ajout d'électrons supplémentaires a rendu l'intérieur à nouveau isolant de manière inattendue, avec une conduction électrique uniquement aux limites et sans perte d'énergie, ce qui est exactement à nouveau une phase d'isolation topologique, tout comme au point de départ lorsque l'intérieur n'a pas d'électrons. . Ce passage à une deuxième phase d'isolation topologique est tout à fait inattendu."
Ma a déclaré que les travaux futurs sur la découverte incluent des collaborations avec des groupes compétents dans d'autres techniques spécialisées, comme les sondes d'imagerie à l'échelle nanométrique, pour mieux comprendre le comportement inattendu.
"Nous nous concentrerons également sur l'amélioration de la qualité de notre matériau afin d'améliorer la conduction topologique sans dissipation, déjà impressionnante", a déclaré Ma. "De plus, nous prévoyons de construire des hétérostructures basées sur ce nouveau matériau pour débloquer des comportements physiques encore plus intrigants."
Au Boston College, Ma a collaboré avec les professeurs de physique Kenneth Burch et Ziqiang Wang; le personnel de la salle blanche de l'université ; Jian Tang, Zumeng Huang et Zhe Sun, postdoctorants en Colombie-Britannique ; les étudiants diplômés Thomas Siyuan Ding, Michael Geiwitz, Mohamed Shehabeldin, Vsevolod Belosevich et Yiping Wang; et Zihan Wang, chercheur invité de premier cycle.
Plus d'informations : Jian Tang et al, Isolateur Hall à double spin quantique par corrélations à densité ajustée dans TaIrTe4 , Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-024-07211-8
Informations sur le journal : Nature
Fourni par Boston College
