Le courant emprunte une voie surprenante dans un matériau quantique

Le comportement de l’électron dans les isolants quantiques, un sujet de débat et de recherche de longue date, a été révélé de manière surprenante par une équipe de chercheurs de l’Université Cornell. Au lieu de se déplacer sur les bords du matériau, comme on le croyait auparavant, ils ont découvert que le courant de transport se déplace à travers l’intérieur du matériau.

Ces résultats pourraient avoir des implications majeures pour le développement de matériaux topologiques destinés aux futurs appareils quantiques.

L’insolite comportement de l’électron

L’étude, publiée dans Nature Materials, a été menée par l’équipe du professeur assistant de physique Katja Nowack, avec Matt Ferguson, Ph.D. ’22, comme auteur principal. L’objectif était de mieux comprendre les isolants dits de Hall quantique anormal. Ces matériaux intrigants montrent des comportements quantiques uniques lorsqu’ils sont soumis à des champs magnétiques.

Le projet est né de l’observation de l’effet Hall quantique. Cet effet a été découvert en 1980 et se produit lorsqu’un champ magnétique est appliqué à un matériau spécifique, provoquant une manifestation inhabituelle : l’intérieur de l’échantillon devient un isolant, tandis qu’un courant électrique se déplace dans un seul sens le long du bord extérieur. Les résistances sont quantifiées, ou restreintes, à une valeur définie par une constante universelle fondamentale.

Le concept controversé de l’isolant de Hall quantique anormal

Un isolant de Hall quantique anormal, qui a été découvert pour la première fois en 2013, parvient à obtenir le même effet en utilisant un matériau qui est magnétisé. Les électrons se déplacent le long du bord sans dissiper d’énergie, un comportement qui rappelle celui d’un supraconducteur. Toutefois, cette perception populaire est en train de changer.

« L’idée selon laquelle le courant circule le long des bords peut très bien expliquer comment vous obtenez cette quantification. Mais il s’avère que ce n’est pas la seule image qui peut expliquer la quantification », a déclaré Nowack. « L’image du bord a vraiment été la dominante depuis l’essor spectaculaire des isolants topologiques au début des années 2000. »

Observation directe du transport électronique

Pour cette nouvelle étude, l’équipe de Nowack s’est concentrée sur le tellurure d’antimoine de bismuth dopé au chrome, le même composé dans lequel l’effet Hall quantique anormal a été observé pour la première fois il y a une décennie. Ils ont utilisé un dispositif d’interférence quantique supraconducteur, ou SQUID, un capteur de champ magnétique extrêmement sensible qui peut fonctionner à basse température pour détecter des champs magnétiques infiniment petits. Le SQUID image efficacement les courants de flux, qui sont ce qui génère le champ magnétique.

Reconsidérer la compréhension des matériaux topologiques

Lorsque les chercheurs ont observé les électrons circulant dans la masse du matériau, et non sur les bords, ils ont commencé à revoir d’anciennes études. Ils ont constaté qu’il y avait eu de nombreux débats sur l’emplacement exact du flux après la découverte originale de l’effet Hall quantique en 1980.

« J’espère que la nouvelle génération travaillant sur les matériaux topologiques prendra note de ce travail et rouvrira le débat. Il est clair que nous ne comprenons même pas certains aspects très fondamentaux de ce qui se passe dans les matériaux topologiques, » a déclaré Nowack.

En synthèse

En somme, cette étude remet en question la compréhension traditionnelle de la circulation du courant dans les isolants de Hall quantique anormal. Elle souligne l’importance de comprendre à la fois les principes généraux et les nuances plus fines qui dictent le comportement des matériaux topologiques. Cette compréhension pourrait être cruciale pour le développement de technologies hybrides plus complexes.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un isolant de Hall quantique anormal ?
C’est un matériau qui montre des comportements quantiques uniques lorsqu’il est soumis à des champs magnétiques, permettant aux électrons de se déplacer sans dissipation d’énergie.

Que signifie la découverte de l’équipe de Nowack pour la compréhension des matériaux topologiques ?
Elle remet en question la perception traditionnelle que le courant circule uniquement le long des bords du matériau. Au lieu de cela, ils ont découvert que le courant circule à travers l’intérieur du matériau.

Quelles sont les implications de cette découverte ?
Cela pourrait avoir des implications majeures pour le développement de matériaux topologiques destinés aux futures technologies quantiques.

L’article de l’équipe, intitulé « Direct Visualization of Electronic Transport in a Quantum Anomalous Hall Insulator », a été publié le 3 août dans Nature Materials. L’auteur principal est Matt Ferguson, Ph.D. ’22, actuellement chercheur postdoctoral à l’Institut Max Planck pour la physique chimique des solides en Allemagne. DOI : 10.1038/s41563-023-01622-0

Les coauteurs sont David Low, étudiant en doctorat, et Nitin Samarth, Run Xiao et Anthony Richardella, chercheurs de l’État de Pennsylvanie.

La recherche a été principalement soutenue par l’Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Sciences and Engineering, du ministère américain de l’énergie.

La croissance des matériaux et la fabrication des échantillons ont été prises en charge par le 2D Crystal Consortium – Materials Innovation Platform (2DCC-MIP), financé par la National Science Foundation, à Penn State.