Flux d’électrons étrange dans les futurs matériaux – ScienceDaily

Les électrons courent le long de la surface de certains matériaux cristallins inhabituels, sauf que parfois ils ne le font pas. Deux nouvelles études de chercheurs de Princeton et de leurs collaborateurs expliquent la source du comportement surprenant et tracent une voie pour restaurer la conductivité de ces cristaux remarquables, appréciés pour leur utilisation potentielle dans les technologies futures, y compris les ordinateurs quantiques.

Les études ont été publiées dans la revue Science.

Au cours des 15 dernières années, une classe de matériaux appelés isolants topologiques a dominé la recherche des matériaux du futur. Ces cristaux ont une propriété inhabituelle: leurs intérieurs sont des isolants – où les électrons ne peuvent pas circuler – mais leurs surfaces sont des conducteurs parfaits, où les électrons coulent sans résistance.

C’était l’image jusqu’à la découverte il y a deux ans que certains matériaux topologiques sont en fait incapables de conduire le courant à leur surface, un phénomène qui a valu le nom de «topologie fragile».

“La topologie fragile est une bête étrange: elle devrait maintenant exister dans des centaines de matériaux”, a déclaré B. Andrei Bernevig, professeur de physique à Princeton et co-auteur des deux articles. “C’est comme si le principe habituel sur lequel nous nous appuyions pour déterminer expérimentalement un état topologique s’effondrait.”

Pour comprendre comment se forment les États fragiles, les chercheurs se sont tournés vers deux ressources: les équations mathématiques et les imprimantes 3D. Avec Luis Elcoro à l’Université du Pays Basque, le chercheur postdoctoral de Bernevig et Princeton Zhi-Da Song a construit une théorie mathématique pour expliquer ce qui se passe à l’intérieur des matériaux.

Ensuite, Sebastian Huber et son équipe à l’ETH Zurich, en collaboration avec des chercheurs de Princeton, du Weizmann Institute of Science en Israël, de l’Université de technologie de Chine méridionale et de l’Université de Wuhan, ont testé la théorie en construisant un matériau topologique grandeur nature en 3D- plastiques imprimés.

Les matériaux topologiques tirent leur nom du domaine des mathématiques qui explique comment les formes telles que les beignets et les tasses à café sont liées (elles ont toutes deux un trou). Les mêmes principes peuvent expliquer comment les électrons sautent d’atome en atome à la surface des quelque 20 000 matériaux topologiques identifiés à ce jour. Les fondements théoriques des matériaux topologiques ont remporté un prix Nobel de physique 2016 pour F. Duncan Haldane, professeur de physique à l’Université Sherman Fairchild de Princeton.

Ce qui rend ces cristaux si intéressants pour les scientifiques, ce sont leurs propriétés électroniques paradoxales. L’intérieur du cristal n’a pas la capacité de conduire le courant – c’est un isolant. Mais coupez le cristal en deux et les électrons parcourront les surfaces nouvellement révélées sans aucune résistance, protégées par leur nature topologique.

L’explication réside dans la connexion entre les électrons en surface et ceux à l’intérieur, ou en vrac. Les électrons peuvent être considérés non pas comme des particules individuelles, mais comme des vagues qui se propagent comme des ondulations d’eau provenant d’un caillou jeté dans un étang. Dans cette vue de la mécanique quantique, l’emplacement de chaque électron est décrit par une onde d’étalement qui est appelée une fonction d’onde quantique. Dans un matériau topologique, la fonction d’onde quantique d’un électron dans la masse se propage au bord du cristal, ou à la limite de la surface. Cette correspondance entre le volume et la frontière conduit à un état de surface parfaitement conducteur.

Ce principe de «correspondance en vrac-limite» pour expliquer la conduction topologique de surface a été largement accepté jusqu’à il y a deux ans, quand une poignée d’articles scientifiques ont révélé l’existence d’une topologie fragile. Contrairement aux états topologiques habituels, les états topologiques fragiles n’ont pas d’états de surface conducteurs.

“Le principe habituel de correspondance entre les limites en vrac tombe en panne”, a déclaré Bernevig. Mais exactement comment restait un puzzle.

Dans le premier des deux Science papiers, Bernevig, Song et Elcoro fournissent une explication théorique pour une nouvelle correspondance en vrac-frontière pour expliquer la topologie fragile. Les collaborateurs montrent que la fonction d’onde électronique d’une topologie fragile ne s’étend à la surface que dans des conditions spécifiques, ce que les chercheurs appellent une correspondance torsadée-limite-volume.

L’équipe a en outre découvert que la correspondance torsadée des limites de volume peut être réglée de sorte que les états de surface conducteurs réapparaissent. “Sur la base des formes de la fonction d’onde, nous avons conçu un ensemble de mécanismes pour introduire des interférences sur la frontière de telle manière que l’état limite devienne nécessairement parfaitement conducteur”, a déclaré Luis Elcoro, professeur à l’Université du Pays Basque.

Selon les chercheurs, trouver de nouveaux principes généraux est toujours quelque chose qui intrigue toujours les physiciens, mais ce nouveau type de correspondance entre les limites en vrac pourrait également avoir une certaine valeur pratique. “La correspondance torsadée des limites de la topologie fragile fournit une procédure potentielle pour contrôler l’état de surface, qui pourrait être utile dans les applications mécaniques, électroniques et optiques”, a déclaré Song.

Mais prouver que la théorie fonctionne était pratiquement impossible étant donné qu’il faudrait interférer avec les frontières à des échelles atomiques infiniment petites. L’équipe s’est donc tournée vers des collaborateurs pour construire un modèle grandeur nature avec lequel explorer leurs idées.

Dans la seconde Science papier, Sebastian Huber et son équipe à l’ETH Zurich ont construit un cristal topologique simulé à grande échelle en plastique à l’aide de pièces imprimées en 3D. Ils ont utilisé des ondes sonores pour représenter les fonctions d’onde des électrons. Ils ont inséré des barrières pour bloquer le chemin des ondes sonores, ce qui est similaire à la coupe du cristal pour révéler les surfaces conductrices. De cette façon, les chercheurs ont imité la condition aux limites torsadées, puis ont montré qu’en la manipulant, ils pouvaient démontrer qu’une onde sonore librement conductrice traversait la surface.

“Ce fut une idée et une réalisation très à gauche”, a déclaré Huber. “Nous pouvons maintenant montrer que pratiquement tous les états topologiques qui ont été réalisés dans nos systèmes artificiels sont fragiles et pas stables comme on le pensait dans le passé. Ce travail fournit cette confirmation, mais beaucoup plus, il introduit un nouveau principe primordial.”

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