Les isolants topologiques sont des matériaux qui peuvent conduire l'électricité, mais uniquement sur leur surface ou leurs bords. Aucun courant ne circule à l’intérieur. Ils font l'objet de recherches intensives dans le monde entier car ils possèdent des propriétés électroniques uniques qui pourraient améliorer l'efficacité des ordinateurs quantiques, par exemple, et être utilisés pour d'autres technologies telles que le cryptage et la transmission sécurisée de données.

Des chercheurs de l'Institut des isolants topologiques et de l'Institut de physique théorique et d'astronomie de l'Université Julius-Maximilians de Würzburg (JMU) présentent maintenant un effet Hall quantique inhabituel qui a été observé sur un dispositif microscopique constitué du tellurure de mercure (HgTe), un matériau isolant topologique. . Leurs résultats sont publiés dans la revue Advanced Science. .

Observation expérimentale claire

Dans le dispositif au tellurure de mercure, les électrons situés sur les surfaces supérieure et inférieure se comportent comme des particules de Dirac relativistes. Comme prévu, mais non vérifié expérimentalement par la physique des particules, les particules de Dirac devraient être sujettes à ce que l'on appelle l'anomalie de parité. Dans les expériences sur l'état solide, l'anomalie de parité conduit à un effet appelé asymétrie spectrale, qui peut être mesuré comme un changement inhabituel dans la résistance électrique.

"L'anomalie de parité est prévue dans les matériaux solides depuis les années 1980. Une proposition théorique célèbre est le modèle proposé par Haldane (prix Nobel de physique en 2016). Nous avons identifié une autre conséquence de l'anomalie de parité qui est la première à vérifier expérimentalement", déclare le professeur Ewelina Hankiewicz.

L'effet n'est pas spécifique au tellurure de mercure

Les physiciens du JMU ont réalisé cette physique de Dirac bidimensionnelle sur une seule surface de l'isolant topologique tridimensionnel. "Nous observons un effet Hall quantique réentrant non conventionnel qui peut être directement lié à l'apparition d'une asymétrie spectrale dans un seul état de surface topologique. L'effet est générique pour tout isolant topologique, et non spécifique au seul tellurure de mercure. L'universalité du résultat C'est ce qui le rend si passionnant", déclare le Dr Wouter Beugeling.

Deux défis ont dû être surmontés pour concrétiser ces nouvelles découvertes. Premièrement, la signature de l’asymétrie spectrale devait être identifiée parmi les autres caractéristiques de la résistance électrique mesurée. Deuxièmement, l'appareil devait être contrôlé de telle manière que les effets des deux surfaces ne s'annulent pas.

Un niveau de contrôle élevé permet des explorations plus approfondies

"Cette observation montre que le haut niveau de contrôle dont nous disposons dans cet appareil nous permet d'explorer de nombreux aspects plus intéressants de la physique topologique des isolants qu'auparavant", déclare le professeur Laurens Molenkamp.

La haute qualité du matériau HgTe, produit dans l’installation d’épitaxie par jets moléculaires de l’Institut de physique de Würzburg, a été un facteur clé pour obtenir la précision expérimentale requise pour cette observation. L'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) est une technique permettant de produire des couches de matériau très fines dotées de propriétés électroniques, optiques et magnétiques personnalisées. Avec MBE, les structures de couches peuvent être construites avec précision couche d'atome par couche d'atome.