En utilisant l’imagerie magnétique, les chercheurs de Cornell ont découvert que les électrons des isolants Hall quantiques anormaux circulent à l’intérieur du matériau, remettant en question les croyances de longue date et offrant de nouvelles orientations pour le développement de dispositifs quantiques.
Des chercheurs de Cornell ont utilisé l’imagerie magnétique pour obtenir la première visualisation directe de la façon dont les électrons circulent dans un type spécial d’isolant et, ce faisant, ils ont découvert que le courant de transport se déplace à l’intérieur du matériau plutôt que sur les bords, comme le suggèrent les scientifiques. avait longtemps supposé.
Cette découverte met en lumière la dynamique électronique au sein des isolants Hall quantiques anormaux et devrait aider à régler un débat qui dure depuis des décennies sur la façon dont le courant circule dans les isolateurs Hall quantiques plus généraux. Ces informations éclaireront le développement de matériaux topologiques pour les dispositifs quantiques de nouvelle génération.
L’article de l’équipe a été récemment publié dans la revue Matériaux naturels. L’auteur principal est Matt Ferguson, Ph.D. ’22, actuellement chercheur postdoctoral à l’Institut Max Planck de physique chimique des solides en Allemagne.
L’effet Hall quantique
Le projet, dirigé par Katja Nowack, professeur adjoint de physique à la Faculté des arts et des sciences et auteur principal de l’article, trouve son origine dans ce que l’on appelle l’effet Hall quantique. Découvert pour la première fois en 1980, cet effet se produit lorsqu’un champ magnétique est appliqué à un matériau spécifique pour déclencher un phénomène inhabituel : l’intérieur de l’échantillon global devient un isolant tandis qu’un courant électrique se déplace dans une seule direction le long du bord extérieur. Les résistances sont quantifiées, ou limitées, à une valeur définie par la constante universelle fondamentale et tombent à zéro.
Un isolant Hall anormal quantique, découvert pour la première fois en 2013, obtient le même effet en utilisant un matériau magnétisé. La quantification se produit toujours et la résistance longitudinale disparaît, et les électrons se déplacent le long du bord sans dissiper d’énergie, un peu comme un supraconducteur.
C’est du moins la conception populaire.
Dissiper les croyances dominantes
« L’image où le courant circule le long des bords peut très bien expliquer comment obtenir cette quantification. Mais il s’avère que ce n’est pas la seule image qui peut expliquer la quantification », a déclaré Nowack. « Cette image périphérique est vraiment la plus dominante depuis l’essor spectaculaire des isolants topologiques à partir du début des années 2000. Les subtilités des tensions et des courants locaux ont été largement oubliées. En réalité, cela peut être beaucoup plus compliqué que ne le suggère l’image périphérique.
Seule une poignée de matériaux sont connus pour être des isolants Hall anormaux quantiques. Pour leurs nouveaux travaux, le groupe de Nowack s’est concentré sur le tellurure de bismuth et d’antimoine dopé au chrome – le même composé dans lequel l’effet Hall anormal quantique a été observé pour la première fois il y a dix ans.
L’échantillon a été cultivé par des collaborateurs dirigés par le professeur de physique Nitin Samarth de la Pennsylvania State University. Pour analyser le matériau, Nowack et Ferguson ont utilisé le dispositif d’interférence quantique supraconducteur de leur laboratoire, ou SQUID, un capteur de champ magnétique extrêmement sensible qui peut fonctionner à basse température pour détecter des champs magnétiques extrêmement minuscules. Le SQUID image efficacement les flux de courant – qui génèrent le champ magnétique – et les images sont combinées pour reconstruire la densité de courant.
« Les courants que nous étudions sont vraiment très petits, c’est donc une mesure difficile », a déclaré Nowack. « Et nous devions descendre en dessous d’un Kelvin en température pour obtenir une bonne quantification de l’échantillon. Je suis fier que nous ayons réussi cela.
Découvertes et implications futures
Lorsque les chercheurs ont remarqué que les électrons circulaient dans la majeure partie du matériau, et non aux limites, ils ont commencé à fouiller dans d’anciennes études. Ils ont découvert que dans les années qui ont suivi la découverte initiale de l’effet Hall quantique en 1980, de nombreux débats ont eu lieu sur l’endroit où se produisait le flux – une controverse inconnue de la plupart des jeunes scientifiques des matériaux, a déclaré Nowack.
« J’espère que la nouvelle génération travaillant sur les matériaux topologiques prendra note de ce travail et rouvrira le débat. Il est clair que nous ne comprenons même pas certains aspects très fondamentaux de ce qui se passe dans les matériaux topologiques », a-t-elle déclaré. « Si nous ne comprenons pas comment circule le courant, que comprenons-nous réellement de ces matériaux ?
Répondre à ces questions pourrait également être pertinent pour la construction de dispositifs plus complexes, tels que des technologies hybrides couplant un supraconducteur à un isolant Hall anormal quantique pour produire des états de matière encore plus exotiques.
« Je suis curieux de savoir si ce que nous observons est vrai dans différents systèmes matériels. Il est possible que dans certains matériaux, le courant circule, mais différemment », a déclaré Nowack. « Pour moi, cela met en valeur la beauté des matériaux topologiques : leur comportement lors d’une mesure électrique est dicté par des principes très généraux, indépendants des détails microscopiques. Néanmoins, il est crucial de comprendre ce qui se passe à l’échelle microscopique, tant pour notre compréhension fondamentale que pour nos applications. Cette interaction de principes généraux et de nuances plus fines rend l’étude des matériaux topologiques si captivante et fascinante.
Les co-auteurs incluent le doctorant David Low ; et les chercheurs de Penn State Nitin Samarth, Run Xiao et Anthony Richardella.
La recherche a été principalement soutenue par l’Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Sciences and Engineering du Département américain de l’énergie.
La croissance des matériaux et la fabrication d’échantillons ont été soutenues par le 2D Crystal Consortium – Materials Innovation Platform (2DCC-MIP), financé par la National Science Foundation, à Penn State.
