Dirigée par Qiong Ma, physicien du Boston College, une équipe internationale travaillant avec des cristaux épais à un seul atome a découvert la transition de TaIrTe4 entre les deux états topologiques distincts d'isolation et de conduction. Le matériau présentait une conductivité électrique nulle à l’intérieur, tandis que ses limites restaient conductrices. L'enquête de l'équipe a déterminé que les deux états topologiques proviennent d'origines disparates. Les nouvelles propriétés peuvent constituer une plate-forme prometteuse pour l’exploration des phases quantiques exotiques et de l’électromagnétisme. Crédit : Qiong Ma, Boston College
Des scientifiques du Boston College ont identifié un matériau connu sous le nom d’isolant Hall à double spin quantique, qui constitue une base prometteuse pour l’étude des phases quantiques exotiques et de l’électromagnétisme.
Une équipe internationale de scientifiques dirigée par des physiciens du Boston College a rapporté la découverte de phases topologiques doubles dans un cristal monocouche intrinsèque, une découverte qui révèle de nouvelles et uniques propriétés de contournement des règles dans un matériau quantique. La découverte a été récemment publiée dans la revue Nature.
La découverte d'un double isolant topologique introduit une nouvelle méthode pour créer des minibandes topologiques plates par le biais d'interactions électroniques, qui offrent une plate-forme prometteuse pour l'exploration des phases quantiques exotiques et de l'électromagnétisme, a rapporté l'équipe.
« Nous avons produit expérimentalement des échantillons atomiquement minces de TaIrTe4 de haute qualité et développé des dispositifs électroniques correspondants », professeur adjoint de physique au Boston College Qiong Ma, auteur principal du rapport. « Ce qui est particulièrement intriguant, c'est notre découverte non pas d'un, mais de deux états topologiques isolants, au-delà des prédictions de la théorie. »
Les résultats introduisent un nouvel effet que l’équipe appelle le double isolant topologique ou l’isolant Hall à double spin quantique, a déclaré Ma.
Méthodologie et résultats uniques
Des couches bidimensionnelles exceptionnellement fines d'un matériau cristallin appelé TaIrTe4, créé à partir de tantale, d'iridium et de tellure, ont été au centre de l'attention de l'équipe de scientifiques de la Colombie-Britannique, MITUniversité de Harvard, UCLATexas A&M, l'Université du Tennessee, l'Université technologique Nanyang de Singapour, l'Académie chinoise des sciences et l'Institut national japonais pour la science des matériaux.
Chaque couche a une épaisseur inférieure à 1 nanomètre, soit plus de 100 000 fois plus fine qu'une mèche de cheveux humains. Ces couches, ou « flocons », ont été soigneusement décollées d’un cristal plus grand à l’aide d’une méthode simple impliquant du ruban adhésif transparent, une technique récompensée par le prix Nobel et largement utilisée en science des matériaux.
« Notre enquête visait à comprendre comment ces matériaux conduisent l'électricité », a déclaré Ma. « Étant donné la taille minuscule de ces matériaux, nous avons utilisé des techniques avancées de nanofabrication, notamment la photolithographie et la lithographie par faisceau d'électrons, pour établir des contacts électriques de taille nanométrique. »
Ma a déclaré que l'objectif principal du projet était de tester la prédiction théorique suggérant que la couche TaIrTe4 la plus fine agit comme un isolant topologique bidimensionnel – également connu sous le nom d'isolant Hall à spin quantique – un nouveau matériau dont l'intérieur est isolant et où l'électricité circule le long de ses limites. sans aucune perte d'énergie. Cette combinaison unique fait de ces matériaux une priorité pour les chercheurs qui tentent de développer les futures générations d'appareils électroniques économes en énergie.
Grâce à la manipulation de paramètres spécifiques, appelés tensions de grille, l'équipe a découvert la transition de TaIrTe4 entre les deux états topologiques distincts, a expliqué Ma. Dans les deux cas, le matériau présente une conductivité électrique nulle à l’intérieur de son intérieur, tandis que ses limites restent conductrices. Grâce à des recherches expérimentales et théoriques systématiques, nous avons déterminé que ces deux états topologiques proviennent d'origines disparates.
Implications théoriques et orientations futures
Les résultats, qui dépassent les prévisions théoriques, ont surpris les scientifiques.
« En règle générale, l'ajout d'électrons à un matériau augmente sa conductivité en raison du plus grand nombre de porteurs de charge ou d'électricité », a expliqué Ma. « Au départ, notre système s’est comporté comme prévu et est devenu plus conducteur grâce à l’ajout d’électrons. Cependant, au-delà d'un certain point, l'ajout d'électrons supplémentaires a rendu l'intérieur à nouveau isolant de manière inattendue, avec une conduction électrique uniquement aux frontières et sans perte d'énergie, ce qui est exactement à nouveau une phase d'isolation topologique, tout comme au point de départ lorsque l'intérieur n'a pas d'électrons. Ce passage à une deuxième phase d’isolation topologique est totalement inattendu.
Ma a déclaré que les travaux futurs sur la découverte incluraient des collaborations avec des groupes compétents dans d'autres techniques spécialisées, comme à l'échelle nanométrique sondes d’imagerie, pour mieux comprendre le comportement inattendu.
« Nous nous concentrerons également sur l'amélioration de la qualité de notre matériau afin d'améliorer la conduction topologique sans dissipation, déjà impressionnante », a déclaré Ma. « De plus, nous prévoyons de construire des hétérostructures basées sur ce nouveau matériau pour débloquer des comportements physiques encore plus intrigants. »
L’étude a été financée par le Bureau de la recherche scientifique de l’Air Force, le Département américain de l’Énergie, la National Science Foundation des États-Unis, le Programme mondial de recherche CIFAR Azrieli et la Fondation Alfred P. Sloan.
Au Boston College, Ma a collaboré avec les professeurs de physique Kenneth Burch et Ziqiang Wang ; le personnel de la salle blanche de l'université ; Jian Tang, Zumeng Huang et Zhe Sun, postdoctorants en Colombie-Britannique ; les étudiants diplômés Thomas Siyuan Ding, Michael Geiwitz, Mohamed Shehabeldin, Vsevolod Belosevich et Yiping Wang ; et Zihan Wang, chercheur invité de premier cycle.
