Tout comme un livre ne peut pas être jugé par sa couverture, un matériau ne peut pas toujours être jugé par sa floor. Mais, pour une classe de matériaux supposée insaisissable, les physiciens ont maintenant montré que la area que l#39on pensait auparavant « sans caractéristiques » détient une signature indubitable qui pourrait conduire à la première observation définitive.
Les isolants topologiques d#39ordre supérieur, ou HOTI, ont attiré l#39focus pour leur capacité à conduire l#39électricité le extended de lignes unidimensionnelles sur leurs surfaces, mais cette propriété est assez difficile à distinguer expérimentalement des autres effets. En étudiant plutôt l’intérieur de ces matériaux sous un angle différent, une équipe de physiciens a identifié une signature de surface area exclusive aux HOTI, able de déterminer la façon dont la lumière se reflète sur leurs surfaces. Comme le rapporte l’équipe dans la revue Character Communications, cette propriété pourrait être utilisée pour confirmer expérimentalement l’existence de tels états topologiques dans des matériaux réels.
« Les propriétés globales ou intérieures des HOTI et autres isolants topologiques ont été négligées pendant longtemps, mais il s#39avère que beaucoup de choses intéressantes s#39y produisent également », a déclaré Barry Bradlyn, professeur de physique à l#39Université de l#39Illinois. Urbana-Champaign et un co-responsable du projet. « Lorsque nous avons examiné les surfaces avec un objectif plus attentif, elles se sont immédiatement démarquées comme étant loin d#39être triviales ou sans particularités. »
Depuis longtemps, les isolants topologiques sont réputés pour leur capacité à transporter des courants électriques sur leurs surfaces tout en ayant des intérieurs isolants. Les HOTI, cependant, limiteraient la conduction électrique à un bord unidimensionnel, ou « charnière », plutôt qu#39à la totalité de la surface area bidimensionnelle.
« Charles Kane, qui a découvert les isolants topologiques, a introduit une bonne analogie », a déclaré Benjamin Wieder, membre du corps professoral de l#39Institut de physique théorique de l#39Université Paris-Saclay et co-responsable du projet. « Nous pouvons considérer les isolants topologiques benchmarks comme les Hershey#39s Kisses™. Une feuille métallique conductrice enroulée autour d#39un isolant qui ne conduit pas l#39électricité, le chocolat dans ce cas, est un très bon moyen de les comprendre. Avec les HOTI, cependant, c#39est comme même si quelqu#39un a pris le papier d#39aluminium et l#39a froissé en un mince anneau entourant le chocolat.
Alors que des états conducteurs de floor ont été observés dans des isolants topologiques requirements, la résolution de la charnière dans les HOTI s#39est avérée exceptionnellement difficile. Bradlyn a expliqué que cette propriété ne peut exister que dans des échantillons de matériaux présentant un degré de symétrie inhabituellement élevé, ce qui signifie que leurs constructions cristallines doivent être d#39une perfection irréaliste.
Au lieu de cela, Bradlyn et ses collaborateurs ont détourné leur attention de l’état charnière vers l’intérieur, où les électrons ont tendance à se « délocaliser » des atomes individuels et à se propager dans l’ensemble du matériau. Contrairement aux études antérieures qui traitaient tous les électrons de la même manière, les chercheurs ont pris en compte les différences de spin, une propriété des électrons qui leur permet de se comporter comme des aimants miniatures.
« Lorsque nous avons divisé les électrons intérieurs en deux états de spin possibles, haut et bas, nous avons vu que chaque état laisse une signature de area exclusive », a déclaré Kuan-Sen Lin, étudiant diplômé en physique à l#39Université d#39I. auteur principal. « Même si la floor d#39un HOTI semble inintéressante, lorsque vous regardez ce que chaque rotation fait séparément sur la surface, un nouveau comportement indubitable apparaît et nous espérons qu#39il sera bientôt mesuré expérimentalement. »
Étant donné que les électrons de spins différents se comportent comme des aimants, ils réagissent différemment lorsqu’une tension électrique est appliquée au matériau, provoquant l’accumulation des deux états de spin sur des côtés opposés. Cette accumulation peut être détectée en tirant parti de l#39effet magnéto-optique Kerr, dans lequel la polarisation, ou l#39orientation de la lumière, adjust lorsqu#39elle est réfléchie par la surface d#39un aimant. Dans le cas des HOTI, les chercheurs ont calculé le changement de polarisation de chaque état de spin et ont constaté qu#39il correspondait exactement à la moitié du changement qui résulterait d#39un isolant ordinaire.
« Dans l#39analogie avec Kiss, nous pourrions nous attendre à ce que, parce que la feuille a été froissée, le chocolat soit en speak to immediate avec l#39air », a déclaré Gregory Fiete, professeur de physique à la Northeastern College et auteur correspondant de l#39étude. « Avec les comportements de surface dépendants du spin que nous avons découverts, nous pouvons dire qu#39il existe en fait une couche transparente qui maintient le chocolat séparé du reste du supermarché. »
En s#39appuyant sur des calculs de principes fondamentaux avec la boîte à outils théorique spécialisée développée par les chercheurs pour cette étude, ils ont identifié le bromure de bismuth métallique comme un candidat très puissant pour observer cet effet. Ils travaillent actuellement avec Fahad Mahmood, professeur de physique à l#39Université d#39I. et Daniel Shoemaker, professeur de science et d#39ingénierie des matériaux à l#39Université d#39I. pour concevoir et réaliser les expériences proposées dans cette étude.
« Les propriétés des HOTI que nous avons identifiées ici seraient très utiles dans l#39informatique quantique et les dispositifs spintroniques, mais nous devons d#39abord les voir expérimentalement », a déclaré Bradlyn. Wieder a ajouté : « Nous espérons que nos travaux montreront que l#39intérieur et les surfaces des matériaux topologiques abritent encore de nombreuses caractéristiques mystérieuses et avantageuses si vous savez les rechercher. »
L#39article « Topologie résolue en spin et angles d#39axion partiels dans les isolateurs tridimensionnels » est disponible en ligne.
Les premiers calculs de principes sur le bromure de bismuth ont été réalisés par Zhaopeng Guo et Zhijun Wang de l#39Académie chinoise des sciences.
Un assist informatique supplémentaire a été fourni par Jeremey Blackburn de l#39Université de Binghamton.
Giandomenico Palumbo du Dublin Institute for Highly developed Research et Yoonseok Hwang de l#39Université d#39I. ont également contribué à ce travail.
Le soutien a été fourni par le Middle for Quantum Sensing and Quantum Components, un centre de recherche sur les frontières énergétiques du département américain de l#39Énergie, Place of work of Science, Basic Strength Sciences le programme de recherche et d#39innovation Horizon Europe de l#39Union européenne et du Conseil européen de la recherche la Fondation nationale de la science la Fondation Alfred P. Sloan le Bureau de la recherche scientifique de l#39Armée de l#39Air le Bureau de recherche navale la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et le programme de recherche stratégique prioritaire de l#39Académie chinoise des sciences.
