Les isolateurs Hall à spin quantique sont une classe d'états topologiques bidimensionnels (2D) de la matière qui sont électriquement isolants à l'intérieur mais, contrairement aux semi-conducteurs, porter une paire d'états métalliques unidimensionnels (1D), qui sont strictement confinés à leurs bords.

La particularité de ces électrons 1D « énervés » est qu'ils sont ce que les physiciens appellent hélicoïdaux :c'est-à-dire les spins des électrons de conduction sont alignés et liés à la direction dans laquelle les électrons se déplacent le long du bord 1D, semblable à une paire de fils unidimensionnels polarisés en spin. Ces propriétés hélicoïdales offrent des solutions potentielles aux problèmes de l'électronique et de la spintronique, ainsi que des appareils électroniques quantiques.

Tout comme une feuille de papier garde ses deux faces même froissée, les propriétés physiques des états de bord métalliques d'un isolateur Hall à spin quantique sont remarquablement stables contre les perturbations - elles sont protégées par la topologie.

Prédit théoriquement pour la première fois il y a deux décennies, cet exotique, état topologique de la matière d'abord réalisé dans une conception soigneusement conçue, hétérostructures semi-conductrices en couches.

Plus récemment, des classes de cristaux atomiquement minces émergent, semblable au célèbre graphène, qui hébergent cet état électronique de la matière comme une propriété intrinsèque.

Dans leur article de Matériaux avancés en avril 2021 (lien ci-dessous), l'équipe passe en revue les avancées récentes en ingénierie des matériaux ainsi que la description théorique, étudier la bibliothèque d'isolants Hall à spin quantique atomiquement minces prometteurs en vue d'applications de dispositifs électroniques classiques et quantiques.

Par exemple, la plage de température sur laquelle les états de bord exotiques peuvent être exploités dépend des propriétés de ces cristaux, comme la force de couplage du spin de l'électron à son moment orbital.

Alors que les isolants Hall quantiques à spin quantique semi-conducteurs à hétérostructure n'ont été caractérisés qu'à des températures d'hélium liquide (T <4,2 Ko), des progrès récents ont vu le développement de cristaux atomiquement minces qui conservent leurs propriétés Hall de spin quantique jusqu'à 100 K, démonstrations prometteuses à température ambiante à l'avenir.

Les isolateurs Hall à spin quantique pourraient être utilisés pour de nouveaux types d'électronique qui consomment moins d'énergie, mais cela nécessiterait un fonctionnement à température ambiante pour éviter un refroidissement coûteux (et gourmand en énergie).

Aux extrêmes de basse température où la supraconductivité peut être induite, Des applications d'informatique quantique particulièrement prometteuses ont été prédites. En supraconducteur, les états de bord 1D ont été prédits pour héberger un type exotique de quasiparticule appelé " fermions Majorana, " qui n'est ni fermion ni boson. En effet, ces anyons agissent comme leur propre antiparticule et obéissent à des statistiques exotiques de quasiparticules non abéliennes, ce qui en fait des candidats passionnants en tant que porteurs d'informations quantiques.

En effet, du fait de leur protection topologique contre les perturbations extérieures, ces fermions exotiques ont été prédits pour offrir une solution potentielle à un problème commun en calcul quantique, qui consiste à conserver des temps de cohérence longs, c'est-à-dire l'échelle de temps sur laquelle les informations quantiques peuvent être stockées et traitées.

L'informatique quantique topologique basée sur Majorana est souvent considérée comme l'un des problèmes physiques les plus difficiles de notre époque. Il a reçu une immense attention et un examen minutieux des médias, surtout récemment, soulignant l'importance de poursuivre la recherche sur des matériaux alternatifs et des plates-formes de dispositifs dans lesquels l'informatique quantique topologique peut être réalisée.

Le papier, Isolateurs à effet hall de spin quantique atomiquement minces (Michael S. Lodge, Shengyuan A. Yang, Shantanu Mukherjee, et Bent Weber) a été publié dans Matériaux avancés en avril 2021.