Tout comme un livre ne peut pas être jugé par sa couverture, un matériau ne peut pas toujours être jugé par sa surface. Mais, pour une classe de matériaux supposée insaisissable, les physiciens ont maintenant montré que la surface que l'on pensait auparavant « sans caractéristiques » détient une signature indubitable qui pourrait conduire à la première observation définitive.

Les isolants topologiques d'ordre supérieur, ou HOTI, ont attiré l'attention pour leur capacité à conduire l'électricité le long de lignes unidimensionnelles sur leurs surfaces, mais cette propriété est assez difficile à distinguer expérimentalement des autres effets. En étudiant l'intérieur de ces matériaux sous un angle différent, une équipe de physiciens a identifié une signature de surface unique aux HOTI, capable de déterminer la façon dont la lumière se reflète sur leurs surfaces.

Comme le rapporte l'équipe dans la revue Nature Communications, cette propriété pourrait être utilisée pour confirmer expérimentalement l'existence de tels états topologiques dans des matériaux réels.

"Les propriétés globales ou intérieures des HOTI et autres isolants topologiques ont été négligées pendant longtemps, mais il s'avère que beaucoup de choses intéressantes s'y passent également", a déclaré Barry Bradlyn, professeur de physique à l'Université de l'Illinois. Urbana-Champaign et un co-responsable du projet. "Lorsque nous avons examiné les surfaces avec un œil plus attentif, elles se sont immédiatement démarquées car elles étaient loin d'être triviales ou sans relief."

Depuis longtemps, les isolants topologiques sont réputés pour leur capacité à transporter des courants électriques sur leurs surfaces tout en ayant des intérieurs isolants. Les HOTI, cependant, limiteraient la conduction électrique à un bord unidimensionnel, ou « charnière », plutôt qu'à la totalité de la surface bidimensionnelle.

"Charles Kane, qui a découvert les isolants topologiques, a introduit une bonne analogie", a déclaré Benjamin Wieder, membre du corps professoral de l'Institut de physique théorique de l'Université Paris-Saclay et co-responsable du projet. "Nous pouvons considérer les isolants topologiques standards comme les baisers de Hershey. Une feuille métallique conductrice enroulée autour d'un isolant qui ne conduit pas l'électricité, le chocolat dans ce cas, est un très bon moyen de les comprendre. Avec les HOTI, cependant, c'est comme si quelqu'un a pris le papier d'aluminium et l'a froissé en un mince anneau entourant le chocolat."

Alors que des états conducteurs de surface ont été observés dans des isolants topologiques standards, la résolution de la charnière dans les HOTI s'est avérée exceptionnellement difficile. Bradlyn a expliqué que cette propriété ne peut exister que dans des échantillons de matériaux présentant un degré de symétrie inhabituellement élevé, ce qui signifie que leurs structures cristallines doivent être d'une perfection irréaliste.

Au lieu de cela, Bradlyn et ses collaborateurs ont détourné leur attention de l’état charnière vers l’intérieur, où les électrons ont tendance à se « délocaliser » des atomes individuels et à se propager dans l’ensemble du matériau. Contrairement aux études antérieures qui traitaient tous les électrons de la même manière, les chercheurs ont pris en compte les différences de spin, une propriété des électrons qui leur permet de se comporter comme des aimants miniatures.

"Lorsque nous avons divisé les électrons intérieurs en deux états de spin possibles, haut et bas, nous avons vu que chaque état laisse une signature de surface unique", a déclaré Kuan-Sen Lin, étudiant diplômé en physique à l'Université d'I. auteur principal. "Même si la surface d'un HOTI semble inintéressante, lorsque vous regardez ce que chaque rotation fait séparément sur la surface, un nouveau comportement indubitable émerge qui, nous l'espérons, sera bientôt mesuré expérimentalement."

Étant donné que les électrons de spins différents se comportent comme des aimants, ils réagissent différemment lorsqu’une tension électrique est appliquée au matériau, provoquant l’accumulation des deux états de spin sur des côtés opposés. Cette accumulation peut être détectée en tirant parti de l'effet magnéto-optique Kerr, dans lequel la polarisation, ou l'orientation de la lumière, change lorsqu'elle est réfléchie par la surface d'un aimant. Dans le cas des HOTI, les chercheurs ont calculé le changement de polarisation de chaque état de spin, et ils ont découvert qu'il correspondait exactement à la moitié du changement qui résulterait d'un isolant ordinaire.

"Dans l'analogie avec Kiss, nous pourrions nous attendre à ce que, parce que la feuille a été froissée, le chocolat soit en contact direct avec l'air", a déclaré Gregory Fiete, professeur de physique à la Northeastern University et auteur correspondant de l'étude. "Avec les comportements de surface dépendants du spin que nous avons trouvés, nous pouvons dire qu'il existe en fait une couche transparente qui maintient le chocolat séparé du reste du supermarché."

En s'appuyant sur des calculs de principes fondamentaux avec la boîte à outils théorique spécialisée développée par les chercheurs pour cette étude, ils ont identifié le bromure de bismuth métallique comme un candidat très puissant pour observer cet effet. Ils travaillent actuellement avec Fahad Mahmood, professeur de physique à l'Université d'I., et Daniel Shoemaker, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université d'I., pour concevoir et réaliser les expériences proposées dans cette étude.

"Les propriétés des HOTI que nous avons identifiées ici seraient très utiles dans l'informatique quantique et les dispositifs spintroniques, mais nous devons d'abord les voir expérimentalement", a déclaré Bradlyn. Wieder a ajouté :"Nous espérons que nos travaux montreront que l'intérieur et les surfaces des matériaux topologiques abritent encore de nombreuses caractéristiques mystérieuses et avantageuses si vous savez comment les rechercher."

Les premiers calculs de principe sur le bromure de bismuth ont été réalisés par Zhaopeng Guo et Zhijun Wang de l'Académie chinoise des sciences. Un support informatique supplémentaire a été fourni par Jeremey Blackburn de l'Université de Binghamton. Giandomenico Palumbo du Dublin Institute for Advanced Studies et Yoonseok Hwang de l'Université d'I. ont également contribué à ce travail.

Plus d'informations : Kuan-Sen Lin et al, Topologie résolue en spin et angles d'axion partiels dans les isolateurs tridimensionnels, Nature Communications (2024). DOI :10.1038/s41467-024-44762-w

Informations sur le journal : Communications naturelles

Fourni par le Grainger College of Engineering de l'Université de l'Illinois