Des physiciens découvrent le premier isolant topologique naturel au monde

Les isolants topologiques sont l'un des nouveaux matériaux les plus intéressants de la science. Ce truc est étrange car c'est un conducteur à la surface mais un isolant à l'intérieur, un peu comme un bloc de glace dans lequel l'eau de fonte coule autour de l'extérieur mais est piégée comme un solide au milieu.

Mais les isolants topologiques ont une autre propriété. Les électrons circulant sur la surface d'un isolant topologique sont tous alignés d'une manière spécifique. En fait, leurs rotations sont verrouillées perpendiculairement à leur direction de mouvement.

Ce verrouillage de l'impulsion de spin signifie que les électrons sont immunisés contre les secousses qu'ils subiraient à l'intérieur d'un conducteur ordinaire. Au lieu de cela, les électrons peuvent se déplacer à travers des isolants topologiques parfaits avec une efficacité de 100 %, même à température ambiante.

Ce comportement unique a enthousiasmé les physiciens et les ingénieurs électroniciens. Cela signifie que les isolants topologiques pourraient former la base d'une toute nouvelle génération de dispositifs électroniques qui codent des informations en utilisant à la fois le spin et la charge d'un électron.

Mais il y a un problème. Les isolants topologiques sont rares. Les physiciens ont prédit leur existence dans les solides en 2005 et en ont synthétisé le premier exemple en 2008, une structure cristalline complexe basée sur l'antimoniure de bismuth. Mais la difficulté de faire d'autres exemples est un problème sérieux pour la technologie émergente de la spintronique.

Cela semble devoir changer. Aujourd'hui, Pascal Gehring de l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide à Stuttgart et quelques amis ont trouvé le premier exemple d'isolant topologique naturel dans un échantillon de quartz d'une mine en République tchèque. La découverte soulève la possibilité que d'autres matériaux naturels puissent également être des isolants topologiques.

Le nouveau matériau est un minéral gris métallique appelé Kawazulite, composé de bismuth, de tellure, de sélénium et de soufre. Le nom vient de la mine de Kawazu au Japon, où elle a été découverte pour la première fois.

Compte tenu de la structure cristalline de la kawazulite, les scientifiques des matériaux ont suspecté qu'elle pourrait agir comme un isolant topologique. En effet, ils ont synthétisé la substance en laboratoire et mesuré ses propriétés pour le découvrir.

Dans tous les cas, cependant, l'isolation topologique prédite ne s'est pas matérialisée en raison de défauts dans la structure du matériau synthétisé.

Maintenant, Gehring et co ont créé des feuilles monocristallines du minéral en les clivant d'un cristal naturel. Lorsqu'ils ont mesuré les propriétés de cette feuille, il s'est avéré qu'il s'agissait d'un conducteur en surface et d'un isolant à l'intérieur, comme prévu.

L'équipe spécule que la kawazulite naturelle a moins de défauts que son cousin synthétique en raison de son âge : tous les défauts ont disparu de la structure au cours des millions d'années qui se sont écoulées depuis sa formation.

La question est maintenant de savoir s'il est possible de fabriquer suffisamment de feuilles monocristallines à partir de kawazulite d'origine naturelle pour permettre à ce matériau d'être mis à l'épreuve par les physiciens travaillant sur la prochaine génération de dispositifs spintroniques.

S'ils peuvent perfectionner ces dispositifs, l'industrie électronique pourrait un jour s'appuyer sur des isolants topologiques naturels provenant de mines de quartz au Japon et au-delà.

Réf : arxiv.org/abs/1311.6637 : Un Isolant Topologique Naturel

cacher