Les scientifiques utilisent des isolants topologiques pour démontrer les effets quantiques depuis plus d'une décennie, mais...
Physique quantique et topologie - ensemble
Ces dernières années, l'étude de la topologieLes états de la matière ont attiré l’attention des physiciens et des ingénieurs du monde entier. Ce domaine d'étude combine la physique quantique avec la topologie, une branche des mathématiques théoriques qui étudie les propriétés géométriques qui peuvent être déformées mais pas essentiellement modifiées. Les propriétés topologiques de la matière sont importantes à la fois du point de vue de la physique fondamentale et pour des applications en ingénierie quantique et en nanotechnologie de nouvelle génération.
Base de la topologie quantique
Le composant principal de l'appareil utilisé pourrecherche sur les mystères de la topologie quantique - isolant topologique. Ce dispositif unique agit comme un isolant à l’intérieur, ce qui signifie que les électrons à l’intérieur ne peuvent pas se déplacer librement et ne conduisent donc pas l’électricité.
Mais les électrons situés aux bords de l'appareil sont libres debougent et sont donc conducteurs. Grâce aux propriétés particulières de la topologie, les électrons circulant le long des bords ne sont gênés par aucun défaut ou déformation. Le nouveau dispositif pourrait non seulement améliorer les technologies futures, mais également permettre une compréhension plus approfondie de la matière elle-même en explorant ses propriétés électroniques quantiques.
Quel est le problème?
Toujours en utilisant des matériaux et des appareilspour des applications réelles dans des appareils fonctionnels, c'était problématique. Tout cela à cause des conditions difficiles de la topologie quantique. Oui, les matériaux topologiques suscitent aujourd’hui un énorme intérêt et on parle souvent de leur grand potentiel d’applications pratiques. Mais jusqu’à ce qu’un effet topologique quantique macroscopique se manifeste à température ambiante, tout cela ne restera qu’un rêve.
Le problème est que l'environnement ou la hauteles températures créent ce que les physiciens appellent un « bruit thermique ». En termes simples, il s’agit d’une augmentation de la température à laquelle les atomes commencent à vibrer fortement. Cela peut perturber le fonctionnement des systèmes quantiques subtils, détruisant ainsi l’état quantique lui-même.
En particulier, dans les isolants topologiques, cesdes températures plus élevées créent une situation dans laquelle les électrons à la surface de l'isolant pénètrent à l'intérieur de l'isolant. Cela amène les électrons à conduire le courant, ce qui affaiblit ou détruit l'effet quantique spécial.
Y a-t-il un moyen de contourner ceci?
Oui, en menant de telles expériences dans des conditionstempératures exceptionnellement basses - au zéro absolu environ. À ces températures incroyablement basses, les particules atomiques et subatomiques cessent de vibrer et sont donc plus faciles à manipuler. Cependant, créer et maintenir un environnement ultra-froid n’est pas pratique pour de nombreuses applications ; c'est cher, encombrant et nécessite une énorme quantité d'énergie.
Qu'ont fait les scientifiques ?
Les physiciens ont développé une manière innovante de contournerproblème. Ils ont créé un nouveau type d'isolant topologique à partir de bromure de bismuth (formule chimique α-Bi 4 Br 4). Il s'agit d'un composé cristallin inorganique qui est parfois utilisé pour la purification de l'eau et les tests chimiques. Comme le notent les auteurs de l’étude, le matériau ne nécessite pas de pression énorme ni de champ magnétique ultra-élevé.
Dans leur étude, les scientifiques se sont appuyés surL'effet Hall quantique est une forme d'effet topologique découvert par Klaus von Klitzing en 1980, pour lequel il a reçu le prix Nobel cinq ans plus tard. Depuis lors, les phases topologiques ont été étudiées de manière intensive. Les scientifiques ont découvert de nombreuses nouvelles classes de matériaux quantiques dotés de structures électroniques topologiques, notamment des isolants topologiques, des supraconducteurs topologiques, des aimants topologiques et des semi-métaux de Weyl. Leur spectre électronique est un analogue tridimensionnel du spectre du graphène.
La dernière pièce du puzzle
Pour réaliser la quantification à température ambiante, les scientifiques ont utilisé le réseau kagome.
Le terme réseau kagome a été inventé par un physicien japonais.Il est apparu pour la première fois dans un article de 1951 rédigé par Ishiro Shoji sous la direction de Fushimi. Le réseau kagomes est constitué des sommets et des arêtes d'une mosaïque trihexagonale. Contrairement à leur nom, ces intersections ne forment pas un réseau mathématique. À son tour, une mosaïque trihexagonale est l'une des 11 mosaïques homogènes sur le plan euclidien constituées de polygones réguliers. La mosaïque est constituée de triangles réguliers et d'hexagones réguliers, disposés de manière à ce que chaque hexagone soit entouré de triangles, et vice versa. Le nom de la mosaïque vient du fait qu'elle combine une mosaïque hexagonale régulière et une mosaïque triangulaire régulière.
Isolateurs topologiques sur un réseau kagomepeut être conçu pour avoir des croisements de bandes relativistes et de fortes interactions électron-électron. Les deux sont nécessaires à un nouveau type de magnétisme.
Kagome en treillis. Auteur : N.Mori
Les scientifiques ont alors réalisé que les aimants kagome sontun système prometteur pour la recherche de phases magnétiques topologiques. Ils sont eux-mêmes similaires aux isolants topologiques - tout est une question de chimie atomique et de conception structurelle appropriées.
Où cela mène-t-il ?
Les chercheurs pensent que leur percée conduira au développement de la technologie quantique et des nanotechnologies.
La création d'un nouvel isolant aura un impact particulierpour le développement de technologies quantiques de nouvelle génération. Les chercheurs pensent également que cette avancée permettra d’accélérer le développement de matériaux quantiques plus efficaces et « verts ».
Et ensuite?
Selon les scientifiques, l'orientation théorique et expérimentale de l'équipe de recherche est désormais concentrée dans deux directions.
Premièrement, les scientifiques veulent comprendre ce que d'autresles matériaux topologiques peuvent fonctionner à température ambiante. Et, surtout, fournir à d’autres experts des outils et de nouvelles techniques de mesure pour identifier les matériaux qui fonctionneront à température ambiante et à haute température.
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