Les matériaux topologiques sont une classe de matériaux qui présentent des propriétés électroniques uniques à leur frontière (surface en matériaux 3D; bord dans les matériaux 2D) qui sont robustes contre les imperfections ou les perturbations et sont nettement différents de leurs propriétés en vrac. En d'autres termes, ces matériaux pourraient être des isolateurs (c'est-à-dire, résister à l'écoulement des électrons ou de la chaleur), et pourtant conduisant à leur frontière (c'est-à-dire, permettant aux électrons ou à la chaleur de les circuler facilement).
Les phases topologiques des matériaux découlent de leurs propriétés quantiques globales, qui sont à leur tour influencées par les symétries, la structure des bandes d'énergie électronique et les interactions. Jusqu'à présent, très peu de phases topologiques émergent de la rupture de symétrie spontanée, un processus qui fait que l'état fondamental d'un matériau (c'est-à-dire un état d'énergie le plus bas) présente une symétrie plus faible par rapport à celle à des températures élevées.
Des chercheurs de l'Université de Princeton, du Beijing Institute of Technology, de l'Université de Zurich, du National Magnet Lab et d'autres instituts ont récemment découvert l'une de ces phases induites par la symétrie, à savoir une phase topologique d'isolant excitonique, dans le composé Ta₂pd₃te₅.
Leurs observations, décrites dans un article publié dans Physique de la naturepourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour l'étude et l'ingénierie des phases quantiques dans les systèmes à semi-conducteurs, ce qui pourrait à son tour informer le développement des technologies quantiques et des dispositifs spintroniques et excitoniques.
« La concurrence ou la coopération entre différents ordres donne souvent lieu à de nouvelles phases quantiques », a déclaré à Issues.fr MD Shafayat Hossain, premier auteur du journal. « Par exemple, en T-TcLes supraconducteurs et le graphène bicouche torsadé, un riche paysage de charge et d'ordres de spin – provenant de symétries spontanément brisées – ont fourni de nouvelles perspectives sur le comportement d'électrons corrélé. Nous avons recherché des plates-formes où la topologie électronique pourrait intervenir avec de telles ordres de rupture de symétrie. «
L'objectif principal de la récente étude de Hossain et de ses collègues était de mieux comprendre comment les propriétés topologiques des matériaux réagissent à l'émergence de symétries brisées supplémentaires. Pour ce faire, ils ont utilisé une technique appelée microscopie à tunnels à balayage (STM) pour explorer les phases topologiques induites par la symétrie dans le composé Ta₂pd₃te₅.
« Les mesures de STM ont révélé le développement d'un écart d'énergie isolant lorsque la température a chuté de 100 K », a expliqué Hossain. « La spectroscopie de photoémission à résolution de l'angle complémentaire (ARPES) a identifié cet écart comme résultant d'une condensation excitonique de moment zéro, qui brise les symétries du miroir du matériau.
« STM nous a en outre permis de détecter les états de bord topologique, et en dessous de 5 K, nous avons observé le développement d'un condensat excitonique à dents finis supplémentaires. Ces résultats ont été corroborés par des signatures thermodynamiques dans les mesures de la capacité thermique, confirmant les transitions de phase. »
La phase d'isolant excitonique est une phase quantique de matière caractérisée par un état isolant collectif provoqué par la formation spontanée d'excitons (c'est-à-dire, paires d'électrons trous). Cette phase a été largement théorisée, mais elle s'est jusqu'à présent révélée être très insaisissable et difficile à observer expérimentalement.
Les travaux récents de Hossain et de ses collègues ont recueilli des preuves d'une phase d'isolant excitonique dans Ta₂pd₃te₅, avec une touche supplémentaire. Plus précisément, cette phase s'est avérée coexister avec la topologie électronique non triviale du matériau (c'est-à-dire sa phase topologique déjà observée).
« Jusqu'à présent, aucun matériau n'hébergeait naturellement à la fois de fortes corrélations excitoniques et une structure de bande topologique en une seule phase quantique », a déclaré Yuxiao Jiang, co-primitif de l'étude. « La plupart des candidats proposés souffrent de complications telles que des distorsions structurelles qui masquent la signature d'un isolant excitonique. C'est la première fois que nous voyons à la fois la topologie et la corrélation excitonique danser ensemble dans un matériau 3D en vrac. »
Des études antérieures ont réussi à observer le comportement excitonique dans les hétérostructures 2D soigneusement modifiées, telles que la monocouche WTE₂. Cependant, les comportements qu'ils ont observés reposaient sur le confinement artificiel des électrons et des trous dans une couche très mince, généralement quelques atomes d'épaisseur.
En revanche, Hossain et ses collègues ont constaté que Ta₂pd₃te₅ subit spontanément une condensation excitonique sous sa forme en vrac. Notamment, cette condensation est entièrement motivée par les interactions électroniques internes du matériau, sans avoir besoin d'intervention et d'ingénierie de la part des chercheurs.
« Remarquablement, nous avons également découvert une deuxième instabilité excitonique – une qui brise la symétrie de traduction du cristal sous-jacente et produit une modulation de superlattice dans l'espace réel », a ajouté Zijia Cheng, co-primitif de l'étude. « Ce condensat à dents finis émerge aux côtés de la phase excitonique zéro-momentum. Le fait d'avoir deux condensats excitoniques – l'un avec un moment nul – et l'autre avec un moment fini – n'a été observé dans aucun autre système connu.
« De plus, nous démontrons que le vecteur d'onde du condensat de la moments finis peut être réglé en continu avec un champ magnétique appliqué. Cette accordabilité est un pistolet fumant pour un condensat d'exciton à momentum fini, se référant à un fluide quantique de paires d'électrons liés qui transportent le moment – à un moment donné à une formation de cristaux non au repos, mais en se déplaçant. »
Cette étude récente a révélé une nouvelle classe de matériaux quantiques dans lesquels la condensation spontanée des excitons coexiste avec une phase topologique non triviale. À l'avenir, le composé étudié par les chercheurs et d'autres matériaux qui présentent des caractéristiques similaires pourraient s'avérer précieux pour le développement de diverses technologies avancées, notamment l'électronique sans dissipation, les composants informatiques quantiques et les dispositifs optiques électriquement accordables.
« Notre découverte peut ouvrir une nouvelle direction prometteuse dans la recherche sur les matériaux quantiques », a ajouté Hossain. «Cela s'apparente à trouver une exoplanet avec de l'eau – si on existe, il y en a probablement d'autres attentes d'être découvertes.
« Nous explorons maintenant les composés connexes pour identifier de nouvelles plates-formes où les corrélations électroniques, la rupture de symétrie et la topologie coexistent ou rivalisent, donnant potentiellement naissance à des phases quantiques encore plus exotiques. En parallèle, nous fabriquons des dispositifs basés sur Ta₂pd₃te₅ pour étudier les propriétés de transport de ses états quantiques. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Lisa Lock, et vérifié et examiné par Andrew Zinin – cet article est le résultat d'un travail humain soigneux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
