Une nouvelle technique permet d'obtenir une empreinte individuelle des états de bord porteurs de courant se produisant dans de nouveaux matériaux tels que des isolants topologiques ou des matériaux 2D. Des physiciens de l'Université de Bâle présentent la nouvelle méthode avec des scientifiques américains en Communication Nature .

Alors que les isolants ne conduisent pas les courants électriques, certains matériaux spéciaux présentent des propriétés électriques particulières. Bien que ne conduisant pas à travers leur masse, leurs surfaces et bords peuvent supporter des courants électriques dus aux effets de la mécanique quantique, et le faire même sans causer de pertes. De tels isolants topologiques ont suscité un grand intérêt ces dernières années en raison de leurs propriétés remarquables. En particulier, leurs états de bord robustes sont très prometteurs car ils pourraient conduire à de grandes avancées technologiques.

Des effets similaires à ceux des états de bord de tels isolants topologiques apparaissent également lorsqu'un métal bidimensionnel est exposé à un champ magnétique puissant à basse température. Lorsque l'effet Hall quantique est réalisé, on pense que le courant ne circule que sur les bords, où se forment plusieurs canaux conducteurs.

Sonder des états de bord individuels

Jusqu'à maintenant, il n'a pas été possible d'aborder individuellement les nombreux États porteurs de courant ou de déterminer leurs positions séparément. La nouvelle technique permet désormais d'obtenir une empreinte exacte des états de bord porteurs de courant avec une résolution nanométrique. Ceci est rapporté par des chercheurs du Département de physique et du Swiss Nanoscience Institute de l'Université de Bâle en collaboration avec des collègues de l'Université de Californie, Los Angeles, ainsi que de Harvard et de l'Université de Princeton, ETATS-UNIS.

Afin de mesurer l'empreinte des états de bords conducteurs, les physiciens dirigés par le professeur Dominik Zumbühl ont développé une technique basée sur la spectroscopie tunnel. Ils ont utilisé un nanofil d'arséniure de gallium situé au bord de l'échantillon qui s'étend parallèlement aux états de bord à l'étude. Dans cette configuration, les électrons peuvent sauter (tunnel) dans les deux sens entre un état de bord spécifique et le nanofil tant que les énergies dans les deux systèmes coïncident. En utilisant un champ magnétique supplémentaire, les scientifiques contrôlent la quantité de mouvement des électrons tunnel et peuvent traiter des états de bord individuels. A partir des courants tunnel mesurés, la position et l'évolution de chaque état de bord peuvent être obtenues avec une précision nanométrique.

Suivi de l'évolution

Cette nouvelle technique est très polyvalente et peut également être utilisée pour étudier des systèmes en évolution dynamique. En augmentant le champ magnétique, le nombre d'états de bord est réduit, et leur répartition est modifiée. Pour la première fois, les scientifiques ont pu observer l'évolution complète des états de bord à partir de leur formation à des champs magnétiques très faibles.

Avec l'augmentation du champ magnétique, les états de bord sont d'abord compressés vers la limite de l'échantillon jusqu'à ce que finalement, ils se déplacent vers l'intérieur de l'échantillon puis disparaissent complètement. Les modèles analytiques et numériques développés par l'équipe de recherche concordent très bien avec les données expérimentales.

"Cette nouvelle technique n'est pas seulement très utile pour étudier les états de bord de Hall quantique, " Dominik Zumbühl commente les résultats de la collaboration internationale. " Il pourrait également être utilisé pour étudier de nouveaux matériaux exotiques tels que les isolants topologiques, graphène ou d'autres matériaux 2-D.