Les physiciens théoriques du laboratoire national d'accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie ont utilisé des simulations informatiques pour montrer comment des impulsions lumineuses spéciales pouvaient créer des canaux robustes où l'électricité circule sans résistance dans un semi-conducteur atomiquement mince.

Si cette approche est confirmée par des expériences, cela pourrait ouvrir la porte à une nouvelle façon de créer et de contrôler cette propriété souhaitable dans une gamme de matériaux plus large qu'il n'est possible aujourd'hui.

Le résultat a été publié dans Communication Nature .

Durant la dernière décennie, comprendre comment créer ce type de matériau exotique – connu sous le nom de « protégé topologiquement » parce que ses états de surface sont imperméables aux distorsions mineures – a été un sujet de recherche brûlant en science des matériaux. Les exemples les plus connus sont les isolants topologiques, qui conduisent l'électricité sans résistance dans des canaux confinés le long de leurs bords ou de leurs surfaces, mais pas à travers leurs intérieurs.

Les chercheurs du SLAC et de l'Université de Stanford ont été à l'avant-garde de la découverte de tels matériaux et de l'étude de leurs propriétés, qui pourraient avoir des applications futures dans les circuits et dispositifs microélectroniques. Le prix Nobel de physique de cette année a été décerné à trois scientifiques qui ont d'abord suggéré la possibilité de propriétés matérielles protégées topologiquement.

Des études théoriques antérieures avaient examiné comment la lumière pouvait induire des phénomènes topologiquement protégés dans le graphène, une feuille de carbone pur d'une épaisseur d'un atome seulement. Malheureusement, il faudrait une énergie lumineuse et une intensité trop élevées pour induire cet effet dans le graphène. Dans cette étude, Les chercheurs du SLAC se sont concentrés sur le disulfure de tungstène et les composés apparentés, qui forment des feuilles d'une seule molécule d'épaisseur et sont intrinsèquement semi-conductrices.

Les chercheurs ont simulé des expériences dans lesquelles des impulsions de lumière polarisée circulairement, dans la gamme de longueurs d'onde du rouge au proche infrarouge, frapper une seule couche de disulfure de tungstène. Les résultats ont montré que pendant le temps que le matériau était illuminé, ses électrons se sont organisés d'une manière fondamentalement différente du graphène, créant de nouveaux chemins sans aucune résistance électrique le long des bords de l'échantillon.

Pour tenir compte des interactions fluctuantes entre les ondes lumineuses et les électrons, les chercheurs ont utilisé un cadre de référence variant périodiquement dans le temps dont les racines remontent aux années 1880 et au mathématicien français Gaston Floquet. L'approche a clairement montré que la lumière à faible énergie, auquel la matière semblerait transparente, créerait topologiquement protégé, chemins de bord sans résistance dans la monocouche de disulfure de tungstène.

De plus, la simulation a montré qu'un échauffement indésirable du matériau qui perturberait les chemins pouvait être évité en réglant l'énergie lumineuse pour qu'elle soit légèrement inférieure à l'énergie "résonnante" la plus efficace.

« Nous sommes les premiers à connecter des modèles de matériaux de premier principe avec des états protégés topologiquement induits par la lumière tout en atténuant l'excès de chaleur des matériaux, " a déclaré Martin Claassen, un étudiant diplômé de Stanford travaillant au SLAC et auteur principal du document technique.

Les chercheurs sont en pourparlers avec d'autres groupes de recherche qui pourraient mener à des expériences testant leurs prédictions théoriques dans des matériaux réels.