Les physiciens de Riken ont créé les premiers films minces avec une combinaison spéciale de propriétés électriques et topologiques. Cette démonstration pourrait aider à réaliser de nouvelles formes d'électronique qui sont très économes en énergie.
Des effets intrigants peuvent survenir dans des matériaux qui ont des électrons avec des structures de bande inhabituelles. « Les électrons se comportent comme des vagues dans les solides, et la relation entre leur énergie et leur élan est décrite par les structures de bande », explique Ryutaro Yoshimi, scientifique invité au Riken Center for Emergent Matter Science. « Dans certains matériaux, différentes bandes électroniques peuvent traverser et avoir la même énergie. »
Un tel groupe croisé modifie fondamentalement les propriétés des vagues d'électrons, conduisant à toutes sortes de phénomènes émergents. « Par exemple, les électrons peuvent ressentir un champ magnétique fictif qui peut être incroyablement fort, parfois jusqu'à 100 fois plus grand que les champs générés par des bobines conventionnelles », explique Yoshimi.
L'évolution de ces phénomènes émergents pourrait conduire à des applications pratiques. « Si nous pouvons apprendre à contrôler et à concevoir ces puissants effets émergents, cela pourrait conduire au développement d'électronique très efficace », explique Yoshimi.
Les structures de bandes non conventionnelles donnent naissance à une classe spéciale de matériaux appelés isolants topologiques. Leurs surfaces peuvent conduire de l'électricité, mais leurs intérieurs sont des isolateurs. Les isolateurs topologiques ont suscité beaucoup d'intérêt en raison de leurs propriétés inhabituelles.
Maintenant, Yoshimi et ses collègues ont produit des films minces qui sont des isolateurs topologiques et présentent de la ferroélectricité, ce qui signifie qu'ils contiennent de minuscules dipôles électriques avec des extrémités positives et négatives. Leurs recherches sont publiées dans la revue Lettres d'examen physique.
« Cette réalisation représente la réalisation d'une nouvelle phase de matière qui fusionne deux concepts clés en physique à l'état solide: la topologie et la ferroélectricité », note Yoshimi.
Cette combinaison est utile dans une perspective pratique, car elle donne aux ingénieurs un moyen pratique de modifier les propriétés topologiques du matériau.
« La topologie d'un matériau est généralement robuste et difficile à modifier avec des stimuli externes, tandis que la ferroélectricité peut être facilement contrôlée par un champ électrique externe », explique Yoshimi. « En couplant ces deux propriétés, nous avons ouvert une nouvelle avenue pour contrôler les états topologiques à la surface du matériau. »
C'est ce que l'équipe de Yoshimi a l'intention d'explorer ensuite.
« Notre prochain objectif est d'appliquer un champ électrique à l'appareil et de démontrer que nous pouvons modifier le nombre d'états de Dirac actifs à la surface », explique Yoshimi. « Cela nous permettrait de contrôler à l'extérieur la conductivité électrique et la polarisation du matériau, ce qui serait une étape majeure vers la création de dispositifs fonctionnels basés sur ce nouvel état de matière. »
