TRADUCTION DU JOUR ;
Des scientifiques découvrent un état quantique exotique à température ambiante
par l'Université de Princeton
PHOTO:Des chercheurs de Princeton ont découvert qu'un matériau connu sous le nom d'isolant topologique, fabriqué à partir des éléments bismuth et brome, présente des comportements quantiques spécialisés normalement observés uniquement dans des conditions expérimentales extrêmes de hautes pressions et de températures proches du zéro absolu. Crédit : Shafayat Hossain et M. Zahid Hasan de l'Université de Princeton
Pour la première fois, des physiciens ont observé de nouveaux effets quantiques dans un isolant topologique à température ambiante. Cette percée, publiée comme article de couverture du numéro d'octobre de Nature Materials, est survenue lorsque les scientifiques de Princeton ont exploré un matériau topologique basé sur l'élément bismuth.
Les scientifiques ont utilisé des isolants topologiques pour démontrer les effets quantiques pendant plus d'une décennie, mais cette expérience est la première fois que ces effets sont observés à température ambiante. En règle générale, l'induction et l'observation d'états quantiques dans des isolants topologiques nécessitent des températures autour du zéro absolu, ce qui équivaut à -459 degrés Fahrenheit (ou -273 degrés Celsius).
Cette découverte ouvre une nouvelle gamme de possibilités pour le développement de technologies quantiques efficaces, telles que l'électronique basée sur le spin, qui pourraient potentiellement remplacer de nombreux systèmes électroniques actuels pour une plus grande efficacité énergétique.
Ces dernières années, l'étude des états topologiques de la matière a attiré une attention considérable parmi les physiciens et les ingénieurs et fait actuellement l'objet de beaucoup d'intérêt et de recherches internationales. Ce domaine d'étude combine la physique quantique avec la topologie, une branche des mathématiques théoriques qui explore les propriétés géométriques qui peuvent être déformées mais pas intrinsèquement modifiées.
"Les nouvelles propriétés topologiques de la matière sont devenues l'un des trésors les plus recherchés de la physique moderne, tant du point de vue de la physique fondamentale que pour trouver des applications potentielles dans l'ingénierie quantique et les nanotechnologies de nouvelle génération", a déclaré M. Zahid Hasan. , professeur de physique Eugene Higgins à l'Université de Princeton, qui a dirigé la recherche.
"Ce travail a été rendu possible par de multiples avancées expérimentales innovantes dans notre laboratoire de Princeton", a ajouté Hasan.
Le principal composant de l'appareil utilisé pour enquêter sur les mystères de la topologie quantique est appelé un isolant topologique. Il s'agit d'un dispositif unique qui agit comme un isolant à l'intérieur, ce qui signifie que les électrons à l'intérieur ne sont pas libres de se déplacer et ne conduisent donc pas l'électricité.
Cependant, les électrons sur les bords de l'appareil sont libres de se déplacer, ce qui signifie qu'ils sont conducteurs. De plus, du fait des propriétés particulières de la topologie, les électrons circulant le long des bords ne sont gênés par aucun défaut ou déformation. Cet appareil a le potentiel non seulement d'améliorer la technologie, mais aussi de générer une meilleure compréhension de la matière elle-même en sondant les propriétés électroniques quantiques.
Jusqu'à présent, cependant, il y avait une pierre d'achoppement majeure dans la quête de l'utilisation des matériaux et des dispositifs pour des applications dans des dispositifs fonctionnels. "Il y a beaucoup d'intérêt pour les matériaux topologiques et les gens parlent souvent de leur grand potentiel pour des applications pratiques", a déclaré Hasan, "mais jusqu'à ce qu'un effet topologique quantique macroscopique puisse se manifester à température ambiante, ces applications resteront probablement non réalisées."
En effet, les températures ambiantes ou élevées créent ce que les physiciens appellent un «bruit thermique», défini comme une élévation de température telle que les atomes se mettent à vibrer violemment. Cette action peut perturber des systèmes quantiques délicats, effondrant ainsi l'état quantique. Dans les isolateurs topologiques, en particulier, ces températures plus élevées créent une situation dans laquelle les électrons à la surface de l'isolant envahissent l'intérieur, ou "la masse", de l'isolant, et font que les électrons là-bas commencent également à conduire, ce qui dilue ou casse l'effet quantique spécial.
La solution consiste à soumettre ces expériences à des températures exceptionnellement froides, généralement égales ou proches du zéro absolu. À ces températures incroyablement basses, les particules atomiques et subatomiques cessent de vibrer et sont par conséquent plus faciles à manipuler. Cependant, créer et maintenir un environnement ultra-froid n'est pas pratique pour de nombreuses applications ; il est coûteux, encombrant et consomme une quantité considérable d'énergie.
Mais Hasan et son équipe ont développé un moyen innovant de contourner ce problème. Forts de leur expérience avec les matériaux topologiques et en travaillant avec de nombreux collaborateurs, ils ont fabriqué un nouveau type d'isolant topologique à base de bromure de bismuth (formule chimique α-Bi4Br4), qui est un composé cristallin inorganique parfois utilisé pour le traitement de l'eau et les analyses chimiques.
"C'est tout simplement formidable que nous les ayons trouvés sans pression géante ni champ magnétique ultra-élevé, rendant ainsi les matériaux plus accessibles pour développer la technologie quantique de nouvelle génération", a déclaré Nana Shumiya, qui a obtenu son doctorat. à Princeton, est chercheur postdoctoral
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Elle a ajouté : "Je crois que notre découverte fera considérablement avancer la frontière quantique."
Les racines de la découverte résident dans le fonctionnement de l'effet Hall quantique, une forme d'effet topologique qui a fait l'objet du prix Nobel de physique en 1985. Depuis lors, les phases topologiques ont été intensément étudiées. De nombreuses nouvelles classes de matériaux quantiques avec des structures électroniques topologiques ont été découvertes, notamment des isolants topologiques, des supraconducteurs topologiques, des aimants topologiques et des semi-métaux de Weyl.
Alors que les découvertes expérimentales se faisaient rapidement, les découvertes théoriques progressaient également. Des concepts théoriques importants sur les isolants topologiques bidimensionnels (2D) ont été proposés en 1988 par F. Duncan Haldane, professeur de physique de l'Université Sherman Fairchild à Princeton.
Il a reçu le prix Nobel de physique en 2016 pour ses découvertes théoriques sur les transitions de phase topologiques et un type d'isolants topologiques 2D. Les développements théoriques ultérieurs ont montré que les isolants topologiques peuvent prendre la forme de deux copies du modèle de Haldane basé sur l'interaction spin-orbite de l'électron.
Hasan et son équipe recherchent depuis une décennie un état quantique topologique pouvant également fonctionner à température ambiante, suite à la découverte des premiers exemples d'isolants topologiques tridimensionnels en 2007. Récemment, ils ont trouvé une solution matérielle à l'état de Haldane. conjecture dans un aimant à réseau kagome capable de fonctionner à température ambiante, qui présente également la quantification souhaitée.
"Les isolants topologiques du réseau kagome peuvent être conçus pour posséder des croisements de bandes relativistes et de fortes interactions électron-électron. Les deux sont essentiels pour un nouveau magnétisme", a déclaré Hasan. "Par conséquent, nous avons réalisé que les aimants kagome sont un système prometteur dans lequel rechercher des phases magnétiques topologiques, car ils ressemblent aux isolants topologiques que nous avons découverts et étudiés il y a plus de dix ans."
"Une conception de chimie et de structure atomique appropriée couplée à la théorie des premiers principes est l'étape cruciale pour rendre réaliste la prédiction spéculative de l'isolant topologique dans un environnement à haute température", a déclaré Hasan. "Il existe des centaines de matériaux topologiques, et nous avons besoin à la fois d'intuition, d'expérience, de calculs spécifiques aux matériaux et d'efforts expérimentaux intenses pour finalement trouver le bon matériau pour une exploration approfondie. matériaux à base de bismuth."
Les isolants, comme les semi-conducteurs, ont ce qu'on appelle des intervalles d'isolation ou de bande. Ce sont essentiellement des "barrières" entre les électrons en orbite, une sorte de "no man's land" où les électrons ne peuvent pas aller. Ces bandes interdites sont extrêmement importantes car, entre autres, elles fournissent la clé de voûte pour surmonter la limitation de l'obtention d'un état quantique imposé par le bruit thermique.
Ils le font si la largeur de la bande interdite dépasse la largeur du bruit thermique. Mais une trop grande bande interdite peut potentiellement perturber le couplage spin-orbite des électrons - c'est l'interaction entre le spin de l'électron et son mouvement orbital autour du noyau. Lorsque cette perturbation se produit, l'état quantique topologique s'effondre. Par conséquent, l'astuce pour induire et maintenir un effet quantique est de trouver un équilibre entre une large bande interdite et les effets de couplage spin-orbite.
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Suite à une proposition des collaborateurs et co-auteurs Fan Zhang et Yugui Yao d'explorer un type de métaux Weyl, Hasan et son équipe ont étudié la famille des matériaux du bromure de bismuth. Mais l'équipe n'a pas pu observer les phénomènes de Weyl dans ces matériaux. Hasan et son équipe ont plutôt découvert que l'isolant au bromure de bismuth a des propriétés qui le rendent plus idéal par rapport à un isolant topologique à base de bismuth-antimoine (alliages Bi-Sb) qu'ils avaient étudié auparavant.
Il a un grand espace isolant de plus de 200 meV ("milli électron volts"). C'est assez grand pour surmonter le bruit thermique, mais assez petit pour ne pas perturber l'effet de couplage spin-orbite et la topologie d'inversion de bande.
"Dans ce cas, dans nos expériences, nous avons trouvé un équilibre entre les effets de couplage spin-orbite et une grande largeur de bande interdite", a déclaré Hasan. "Nous avons découvert qu'il existe un" point idéal "où vous pouvez avoir un couplage spin-orbite relativement important pour créer une torsion topologique et augmenter la bande interdite sans la détruire. C'est un peu comme un point d'équilibre pour les matériaux à base de bismuth qui nous étudions depuis longtemps."
Les chercheurs savaient qu'ils avaient atteint leur objectif lorsqu'ils ont vu ce qui se passait dans l'expérience à travers un microscope à effet tunnel à résolution subatomique, un appareil unique qui utilise une propriété connue sous le nom de "tunnel quantique", où les électrons sont acheminés entre le métal pointu , pointe mono-atome du microscope et de l'échantillon.
Le microscope utilise ce courant tunnel plutôt que la lumière pour voir le monde des électrons à l'échelle atomique. Les chercheurs ont observé un état de bord de Hall de spin quantique clair, qui est l'une des propriétés importantes qui existent uniquement dans les systèmes topologiques. Cela a nécessité une nouvelle instrumentation supplémentaire pour isoler de manière unique l'effet topologique.
"Pour la première fois, nous avons démontré qu'il existe une classe de matériaux topologiques à base de bismuth dont la topologie survit jusqu'à la température ambiante", a déclaré Hasan. "Nous sommes très confiants dans notre résultat."
Cette découverte est l'aboutissement de nombreuses années de travail expérimental durement gagné et a nécessité l'introduction de nouvelles idées d'instrumentation supplémentaires dans les expériences. Hasan est un chercheur de premier plan dans le domaine des matériaux topologiques quantiques expérimentaux avec de nouvelles méthodologies d'expérimentation depuis plus de 15 ans ; et, en effet, était l'un des premiers chercheurs pionniers du domaine.
Entre 2005 et 2007, par exemple, lui et son équipe de chercheurs ont découvert l'ordre topologique dans un solide en vrac tridimensionnel de bismuth-antimoine, un alliage semi-conducteur et des matériaux Dirac topologiques associés en utilisant de nouvelles méthodes expérimentales. Cela a conduit à la découverte de matériaux magnétiques topologiques. Entre 2014 et 2015, ils ont découvert une nouvelle classe de matériaux topologiques appelés semi-métaux magnétiques de Weyl.
Les chercheurs pensent que cette percée ouvrira la porte à toute une série de possibilités de recherche et d'applications futures dans les technologies quantiques.
"Nous pensons que cette découverte pourrait être le point de départ du développement futur de la nanotechnologie", a déclaré Shafayat Hossain, chercheur postdoctoral associé au laboratoire de Hasan et autre co-premier auteur de l'étude. "Il y a eu tellement de possibilités proposées dans la technologie topologique qui attendent, et trouver des matériaux appropriés couplés à une nouvelle instrumentation est l'une des clés pour cela."
Un domaine de recherche où Hasan et son équipe pensent que cette percée aura un impact particulier est celui des technologies quantiques de nouvelle génération. Les chercheurs pensent que cette nouvelle percée accélérera le développement de matériaux quantiques plus efficaces et « plus verts ».
Actuellement, l'orientation théorique et expérimentale du groupe est concentrée dans deux directions, a déclaré Hasan.
Premièrement, les chercheurs veulent déterminer quels autres matériaux topologiques pourraient fonctionner à température ambiante et, surtout, fournir à d'autres scientifiques les outils et les nouvelles méthodes d'instrumentation pour identifier les matériaux qui fonctionneront à température ambiante et à des températures élevées.
Deuxièmement, les chercheurs veulent continuer à sonder plus profondément le monde quantique maintenant que cette découverte a permis de mener des expériences à des températures plus élevées.
Ces études nécessiteront le développement d'un autre ensemble de nouvelles instrumentations et techniques pour exploiter pleinement l'énorme potentiel de ces matériaux. "Je vois une formidable opportunité pour une exploration plus approfondie des phénomènes quantiques exotiques et complexes avec notre nouvelle instrumentation, en suivant des détails plus fins dans les états quantiques macroscopiques", a déclaré Hasan. « Qui sait ce que nous allons découvrir ?
"Notre recherche est un véritable pas en avant dans la démonstration du potentiel des matériaux topologiques pour les applications d'économie d'énergie", a ajouté Hasan. "Ce que nous avons fait ici avec cette expérience, c'est planter une graine pour encourager d'autres scientifiques et ingénieurs à rêver grand."
COMMENTAIRES
La longueur , l'éxhuberance et l 'autosatisfaction de cer article m ''ont chagriné ! D'autant que je ne vois pas en quoi les isolants topologiques seront si précieux et utiles .... Vous oui ???
J 'aime les chercheurs qui ont le succés modeste !!!
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More information: Nana Shumiya et al, Evidence of a room-temperature quantum spin Hall edge state in a higher-order topological insulator, Nature Materials (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01304-3
Journal information: Nature Materials
Provided by Princeton University
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