Un état semi-métallique topologique de Dirac est réalisé au point critique de la transition de phase d'un isolant normal à un isolant topologique. Les signes + et - indiquent la parité paire et impaire des bandes d'énergie. Crédit :Yulin Chen, Oxford
La découverte de ce qui est essentiellement une version 3D du graphène - les feuilles de carbone 2D à travers lesquelles les électrons parcourent plusieurs fois la vitesse à laquelle ils se déplacent à travers le silicium - promet de nouvelles choses passionnantes à venir pour l'industrie de la haute technologie, y compris des transistors beaucoup plus rapides et des disques durs beaucoup plus compacts. Une collaboration de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du DOE a découvert que le bismuthate de sodium peut exister sous forme de matière quantique appelée semi-métal de Dirac topologique tridimensionnel (3DTDS). Il s'agit de la première confirmation expérimentale de fermions de Dirac 3D à l'intérieur ou dans la masse d'un matériau, un état nouveau qui n'a été proposé que récemment par les théoriciens.
"Un 3DTDS est une contrepartie tridimensionnelle naturelle du graphène avec des électrons de mobilité et de vitesse similaires ou même meilleurs, " dit Yulin Chen, un physicien de l'Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab lorsqu'il a lancé l'étude qui a conduit à cette découverte, et maintenant avec l'Université d'Oxford. "Grâce à ses fermions Dirac 3D en vrac, un 3DTDS présente également une magnétorésistance linéaire non saturante intrigante qui peut être supérieure à celle des matériaux GMR actuellement utilisés dans les disques durs, et cela ouvre la porte à des capteurs optiques plus efficaces."
Chen est l'auteur correspondant d'un article en Science rapporter la découverte. L'article s'intitule "Découverte d'un semi-métal de Dirac topologique tridimensionnel, N / A
Deux des nouveaux matériaux les plus passionnants dans le monde de la haute technologie d'aujourd'hui sont le graphène et les isolants topologiques, matériaux cristallins électriquement isolants dans la masse mais conducteurs en surface. Les deux comportent des fermions de Dirac 2D (fermions qui ne sont pas leur propre antiparticule), qui donnent lieu à des propriétés physiques extraordinaires et très convoitées. Les isolants topologiques possèdent également une structure électronique unique, dans lequel les électrons en vrac se comportent comme ceux d'un isolant tandis que les électrons de surface se comportent comme ceux du graphène.
La ligne de faisceau 10.0.1 de la source lumineuse avancée de Berkeley Lab est optimisée pour l'étude des structures électroniques et des systèmes électroniques corrélés. Crédit :Roy Kaltschmidt, Laboratoire de Berkeley
"Le développement rapide du graphène et des isolants topologiques a soulevé des questions quant à savoir s'il existe des homologues 3D et d'autres matériaux avec une topologie inhabituelle dans leur structure électronique, " dit Chen. "Notre découverte répond aux deux questions. Dans le bismutate de sodium que nous avons étudié, les bandes de conduction et de valence ne se touchent qu'en des points discrets et se dispersent linéairement le long des trois directions de quantité de mouvement pour former des fermions de Dirac 3D en vrac. Par ailleurs, la topologie d'une structure électronique 3DTSD est également aussi unique que celles des isolants topologiques."
La découverte a été faite à l'Advanced Light Source (ALS), une installation nationale des utilisateurs du DOE hébergée au Berkeley Lab, en utilisant la ligne de lumière 10.0.1, qui est optimisé pour les études de structure électronique. L'équipe de recherche collaboratrice a d'abord développé une procédure spéciale pour synthétiser et transporter correctement le bismutate de sodium, un composé semi-métal identifié comme un candidat 3DTDS fort par les co-auteurs Fang et Dai, théoriciens de l'Académie chinoise des sciences.
Sur la ligne de lumière ALS 10.0.1, les collaborateurs ont déterminé la structure électronique de leur matériau à l'aide de la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES), dans lequel les rayons X frappant une surface ou une interface matérielle provoquent la photoémission d'électrons à des angles et des énergies cinétiques qui peuvent être mesurés pour obtenir un spectre électronique détaillé.
"La ligne de lumière ALS 10.0.1 est parfaite pour explorer de nouveaux matériaux, car il a une capacité unique par laquelle l'analyseur est déplacé plutôt que l'échantillon pour les scans de mesure ARPES, " dit Chen. " Cela a rendu notre travail beaucoup plus facile car la surface de l'échantillon clivée de notre matériau a parfois de multiples facettes, ce qui rend les schémas de mesure d'échantillons tournants généralement utilisés pour les mesures ARPES difficiles à réaliser."
Le bismuthate de sodium est trop instable pour être utilisé dans des appareils sans emballage approprié, mais il déclenche l'exploration pour le développement d'autres matériaux 3DTDS plus adaptés aux appareils de tous les jours, une recherche qui est déjà en cours. Le bismuthate de sodium peut également être utilisé pour démontrer les applications potentielles des systèmes 3DTDS, qui offrent des avantages distincts par rapport au graphène.
"Un système 3DTDS pourrait apporter une amélioration significative de l'efficacité dans de nombreuses applications par rapport au graphène en raison de son volume 3D, " dit Chen. " Aussi, préparer des films de graphène à domaine unique atomiquement minces de grande taille est toujours un défi. Il pourrait être plus facile de fabriquer des dispositifs de type graphène pour une plus large gamme d'applications à partir de systèmes 3DTDS. »
En outre, Chen dit, un système 3DTDS ouvre également la porte à d'autres propriétés physiques inédites, comme le diamagnétisme géant qui diverge lorsque l'énergie se rapproche du point de Dirac 3D, magnétorésistance quantique dans la masse, structures de niveau Landau uniques sous de forts champs magnétiques, et les effets Hall de spin quantique oscillant. Toutes ces nouvelles propriétés peuvent être une aubaine pour les futures technologies électroniques. Les futurs systèmes 3DTDS peuvent également servir de plate-forme idéale pour des applications en spintronique.
