Une représentation de la visualisation des données des états quantiques des électrons sur la surface et le bord d’un cristal d’arsenic gris obtenue à l’aide d’un microscope à effet tunnel au département de physique de Princeton. Crédit : Image basée sur des simulations de données STM préparées par Shafayat Hossain et le groupe Zahid Hasan du Laboratoire de matière quantique topologique de l’Université de Princeton.
La découverte d’un nouveau phénomène quantique dans un matériau cristallin, appelé « topologie hybride » par les physiciens, offre d’excellentes perspectives pour les technologies quantiques de nouvelle génération. Les scientifiques de Princeton ont examiné un cristal solide composé d’atomes d’arsenic (As) et ont fait la découverte, publiée dans la revue Nature le 10 avril.
Ils ont étudié et capturé des images de cet état quantique distinct en utilisant la spectroscopie de photoémission et un microscope à effet tunnel (STM). Cet état présente un nouveau type de comportement quantique topologique jamais observé auparavant dans le même matériau, combinant des états de bord avec des états de surface. C’est la première fois que ces comportements sont démontrés ensemble, ce qui donne lieu à un état unique de la matière, même s’ils avaient été observés indépendamment lors de tests antérieurs.
Ces dernières années, l’étude des états topologiques de la matière a attiré l’attention des ingénieurs et des physiciens du monde entier. Ce domaine d’étude combine la topologie – une branche des mathématiques qui étudie les qualités géométriques qui peuvent être modifiées sans affecter leur nature sous-jacente – avec la physique quantique.
Les scientifiques étudient depuis plus de dix ans d’étranges phénomènes quantiques dans les solides en vrac en utilisant des matériaux à base de bismuth (Bi). Habituellement, ces matériaux sont des composés, comme le bismuth et le sélénium (Se). Mais cette dernière expérience est la première à montrer des conséquences topologiques dans des cristaux entièrement composés d’atomes d’arsenic (As).
Cette découverte de nouvelles propriétés topologiques dans un matériau solide simple est hautement significative. Il ouvre des possibilités passionnantes pour la recherche fondamentale et les applications pratiques en science et ingénierie quantiques.
Les chercheurs ont découvert ces états topologiques inattendus dans les cristaux d’arsenic à l’aide de méthodes expérimentales de pointe créées dans leur laboratoire de Princeton. En raison de sa simplicité de synthèse et de sa propreté, le bismuth a été l’élément le plus étudié pour ses caractéristiques topologiques. Cependant, la découverte de l’arsenic ouvre la voie à une nouvelle approche pour ce type de recherche.
Pour la première fois, des chercheurs ont démontré que des ordres topologiques distincts peuvent également interagir et donner naissance à de nouveaux phénomènes quantiques intrigants similaires à ceux corrélés.
Des matériaux topologiques sont nécessaires pour percer les mystères de la topologie quantique. L’intérieur de ces matériaux fonctionne comme un isolant, empêchant les électrons de se déplacer librement et de conduire l’électricité. Néanmoins, les bords du matériau sont conducteurs car les électrons sont libres de se déplacer. Ce qui est fascinant à propos de ces électrons de bord, c’est que leurs caractéristiques topologiques uniques les empêchent d’être affectés par des failles ou des déformations.
En examinant les caractéristiques électroniques quantiques de la matière, ce type d’appareil peut approfondir notre compréhension de la matière et développer la technologie.
M. Zahid Hasan, professeur de physique Eugene Higgins à l’Université de Princeton, a souligné à quel point il est fascinant d’utiliser des matériaux topologiques dans des applications du monde réel. Néanmoins, pour que cela se produise, deux évolutions significatives sont nécessaires. Premièrement, à des températures plus élevées, il faut pouvoir observer des phénomènes topologiques quantiques. Deuxièmement, les chercheurs doivent trouver des matériaux capables de refléter ces phénomènes topologiques. Ces matériaux doivent être basiques et élémentaires, comme le silicium dans l’électronique traditionnelle.
S’appuyant sur les fondements de l’effet Hall quantique, un phénomène topologique remarquable qui a reçu le prix Nobel de physique en 1985, des matériaux topologiques ont été découverts. Depuis lors, les scientifiques ont étudié les phases topologiques et produit plusieurs matériaux quantiques dotés de structures électroniques distinctes.
Parmi les scientifiques notables dans ce domaine figurent Daniel Tsui et F. Duncan Haldane de l’Université de Princeton, récompensés par le prix Nobel pour leurs découvertes concernant les transitions de phase topologiques et l’effet Hall quantique.
Le Dr Hasan et ses collègues de Princeton ont étudié diverses facettes des isolants topologiques et recherché de nouveaux états de la matière, en suivant leurs traces. Trouver les premiers exemples d’isolateurs topologiques tridimensionnels en 2007 a été une réalisation importante. Depuis dix ans, ils recherchent un nouvel état topologique pouvant fonctionner à température ambiante.
Pour exploiter pleinement le potentiel des isolants topologiques dans des applications réelles, le Dr Hasan souligne l’importance de l’intégration des calculs théoriques, de la conception structurelle et de la chimie atomique. Cela nécessite une maîtrise approfondie des matériaux et des expériences approfondies pour trouver de bons candidats. Ils ont exploré une variété de matériaux à base de bismuth tout au long de leur parcours, ce qui a produit plusieurs avancées significatives dans le domaine des matériaux topologiques.
Les matériaux à base de bismuth peuvent théoriquement supporter un état topologique de la matière à très haute température. Cependant, ils nécessitent une préparation complexe du matériau sous un vide extrêmement poussé. Les scientifiques ont donc choisi d’étudier plusieurs méthodes alternatives. Md. Shafayat Hossain, chercheur postdoctoral, a proposé un cristal d’arsenic car il peut être généré sous une forme plus propre que de nombreux composés de bismuth.
Lorsque Hossain et Yuxiao Jiang, un étudiant diplômé du laboratoire Hasan, ont allumé le STM sur l’échantillon d’arsenic, ils ont fait une découverte frappante : l’arsenic gris, une sorte d’arsenic d’apparence métallique, héberge simultanément à la fois des états de surface topologiques et des états de bord.
Le chercheur postdoctoral Md. Shafayat Hossain a déclaré : “Nous étions surpris. L’arsenic gris était censé n’avoir que des états de surface. Mais lorsque nous avons examiné les bords des marches atomiques, nous avons également découvert de magnifiques modes de bords conducteurs.
Jiang, co-premier auteur du travail, a poursuivi : « Un mode de bord sans espace ne devrait pas exister dans un bord de marche monocouche isolé.
Les calculs effectués par Rajibul Islam, chercheur postdoctoral à l’Université d’Alabama à Birmingham, en Alabama, et Frank Schindler, chercheur postdoctoral et théoricien de la matière condensée à l’Imperial College de Londres au Royaume-Uni, le démontrent.
Schindler déclare, “Les états de surface s’hybrident avec les états espacés sur le bord et forment un état sans intervalle une fois qu’un bord est placé au-dessus de l’échantillon global.”
“C’est la première fois que nous assistons à une telle hybridation.”
Physiquement, ni les isolants topologiques solides ni ceux d’ordre supérieur ne devraient présenter à eux seuls un état sans espace sur le bord de la marche. Au lieu de cela, cela n’est prévu que dans les matériaux hybrides présentant les deux types de structure quantique. Cet état sans espace diffère des états de charnière ou de surface dans les isolants solides d’ordre supérieur et topologiques. Par conséquent, la découverte expérimentale de l’équipe de Princeton a dévoilé un état topologique qui n’avait jamais été observé auparavant.
David Hsieh, directeur de la division de physique de Caltech et chercheur indépendant, a souligné les nouvelles conclusions de la recherche. Il a souligné que certains matériaux peuvent appartenir simultanément à deux classes topologiques différentes. Les états limites de ces deux topologies peuvent potentiellement interagir et créer un nouvel état quantique plus complexe.
Les chercheurs ont utilisé des mesures au microscope à effet tunnel et une spectroscopie de photoémission à résolution angulaire haute résolution pour valider davantage leurs résultats.
Certaines des mesures de photoémission ont été réalisées par Zi-Jia Cheng, étudiant diplômé du groupe Hasan et l’un des co-premiers auteurs des travaux. Il a déclaré : « L’échantillon d’As gris est très propre et nous avons trouvé des signatures claires d’un état de surface topologique. »
Les chercheurs ont étudié la corrélation unique entre la masse, la surface et le bord associée à l’état topologique hybride en intégrant plusieurs méthodologies expérimentales, qui ont confirmé les résultats expérimentaux.
Cette découverte a deux implications. Premièrement, l’observation de l’état de surface et du mode de bord topologique intégré ouvre la porte à la création de nouvelles voies de transport d’électrons. Cela pourrait aboutir à la création de nouveaux outils pour l’informatique quantique ou la science de l’information quantique. Les chercheurs de Princeton ont montré que ces modes de bord topologiques ne sont présents que le long de configurations géométriques particulières qui coïncident avec les symétries du cristal, fournissant ainsi une méthode pour construire différents types de futurs dispositifs électroniques et nanodispositifs basés sur le spin.
La société gagne à découvrir de nouveaux matériaux et qualités en considérant les choses de manière plus large. La découverte de solides élémentaires comme plates-formes matérielles dans le domaine des matériaux quantiques, comme le bismuth pour une topologie d’ordre supérieur ou l’antimoine pour une topologie robuste, a déclenché la création de matériaux innovants qui ont considérablement amélioré l’étude des matériaux topologiques.
“Nous prévoyons que l’arsenic, avec sa topologie unique, servira de nouvelle plate-forme pour développer de nouveaux matériaux topologiques et dispositifs quantiques qui ne sont actuellement pas réalisables via les plates-formes existantes.” » a noté Hasan. « Cela ouvre une nouvelle frontière passionnante dans la science des matériaux et la nouvelle physique ! »
Référence du journal :
2024-04-19 10:47:25
1713513687
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