Les chercheurs ont fait une découverte majeure dans le domaine des isolants topologiques, ouvrant la voie à de nouvelles applications en informatique quantique et en énergie solaire. Une équipe de recherche internationale a mis au jour un nouvel isolant topologique unidimensionnel, un état de la matière unique qui diffère des métaux, des isolants et des semi-conducteurs conventionnels.
Contrairement à la plupart des isolants topologiques connus, qui sont soit tridimensionnels, soit bidimensionnels, cet isolant topologique est unidimensionnel.
Les isolants topologiques possèdent un intérieur qui se comporte comme un isolant électrique, ce qui signifie que les électrons ne peuvent pas facilement se déplacer, tandis que leur surface agit comme un conducteur électrique, permettant aux électrons de se déplacer le long de la surface.
Depuis que les isolants topologiques tridimensionnels ont été signalés dans les années 2000, les chercheurs sont à la recherche de nouveaux isolants topologiques. Cependant, les isolants topologiques unidimensionnels sont restés largement insaisissables jusqu’à présent.
Kosuke Nakayama, professeur adjoint à la École supérieure des sciences de l’Université de Tohoku et co-auteur de l’étude, souligne l’intérêt particulier des isolants topologiques unidimensionnels :
«Les isolants topologiques unidimensionnels sont particulièrement intrigants car les charges électriques qui apparaissent à leurs extrémités constituent effectivement des qubits – l’unité de base de l’information en informatique quantique. Ils sont donc d’une importance vitale pour la physique quantique.»
Le tellure au cœur de la découverte
L’équipe de recherche s’est concentrée sur le tellure (Te), un semi-conducteur dont l’utilisation commerciale principale se trouve dans les panneaux solaires et les dispositifs thermoélectriques. Des prédictions théoriques récentes ont suggéré que les chaînes hélicoïdales simples pourraient en fait être des isolants topologiques unidimensionnels.
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Pour vérifier cette hypothèse, l’équipe a dû préparer des bords propres des chaînes de tellure sans endommager leur structure, ce qui a été rendu possible par l’utilisation d’un système de faisceau d’ions à agrégats gazeux (GCIB) nouvellement développé, capable de modifier les surfaces à l’échelle du nanomètre.
Confirmation expérimentale
Les chercheurs ont ensuite visualisé la distribution spatiale des charges électriques en utilisant une spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) avec un faisceau micro-focalisé. Leurs investigations ont confirmé que les charges électriques apparaissaient effectivement aux extrémités des chaînes, soutenant ainsi la nature d’isolant topologique unidimensionnel du tellure.
Nakayama a souligné que leurs recherches marquent une étape cruciale vers la compréhension des propriétés des isolants topologiques unidimensionnels et auront des avantages considérables. Les charges aux extrémités des isolants topologiques unidimensionnels ont une variété d’utilisations : qubits, cellules solaires à haut rendement, photodétecteurs à haute sensibilité et nanotransistors. Leur découverte d’un isolant topologique unidimensionnel contribuera à accélérer la recherche vers la réalisation de ces applications.
Outre l’Université de Tohoku, l’équipe comprenait des chercheurs de l’Université d’Osaka, de l’Université Kyoto Sangyo, de l’Organisation de recherche sur les accélérateurs à haute énergie (KEK) et de l’Institut national des sciences et technologies quantiques.
Article : « Observation of edge states derived from topological helix chains ». Auteurs : Kosuke Nakayama, Atsuya Tokuyama, Kunihiko Yamauchi, Ayumi Moriya, Takemi Kato, Katsuaki Sugawara, Seigo Souma, Miho Kitamura, Koji Horiba, Hiroshi Kumigashira, Tamio Oguchi, Takashi Takahashi, Kouji Segawa, and Takafumi Sato / Journal: Nature – DOI: 10.1038/s41586-024-07484-z
