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Comment les isolants topologiques changent-ils notre compréhension des matériaux dotés de bandes d'énergie « tordues »
Avec le développement rapide de la science des matériaux, les isolants topologiques (IT) attirent de plus en plus l'attention de la communauté scientifique. Les propriétés de ces matériaux sont très différentes de celles des isolants traditionnels. L’intérieur agit comme un isolant, mais la surface est conductrice de l’électricité, ce qui signifie que les électrons ne peuvent se déplacer que le long de la surface du matériau. Cette propriété physique particulière découle du phénomène dit de « distorsion » dans sa structure de bande d'énergie, qui a modifié notre compréhension fondamentale de la matière.
Les isolateurs topologiques ont une structure de bande torsadée qui crée un état conducteur de surface solide qui les distingue des isolateurs ordinaires.
Les isolants topologiques peuvent exister car il existe un écart énergétique évident entre leur bande de valence et leur bande de conduction. Cependant, cette propriété ne signifie pas qu’ils peuvent être transformés les uns dans les autres sans restrictions. Ce n'est que lorsque la structure de la bande d'énergie change que cet écart peut être éliminé et entrer dans un état conducteur régulier. Par conséquent, les frontières entre les isolants topologiques et les isolants ordinaires sont relativement claires et n’existent que dans les phases pouvant conduire l’électricité. Qu'ils soient basés sur des perturbations de symétrie locales ou sur des influences externes, ces états conducteurs de surface présentent une stabilité extrêmement élevée.
Bien que l'état de surface des isolants ordinaires puisse également conduire l'électricité, seul l'état de surface des isolants topologiques possède cette ténacité.
Dans les isolants topologiques de grande dimension, les états de surface présentent de nombreuses propriétés merveilleuses. Par exemple, dans un isolant topologique tridimensionnel présentant une symétrie d'inversion du temps, le spin de l'état de surface est verrouillé avec la direction du mouvement, formant ce que l'on appelle le phénomène de verrouillage spin-impulsion. Cette situation supprime fortement la courbe en « U » dans le processus de diffusion et améliore la conductivité du métal à la surface.
Le potentiel des isolants topologiques ne se limite toutefois pas au transport des électrons. La surface de ce type de matériau peut également supporter des particules de Majorana. L’émergence de ces phénomènes supraconducteurs a fait des isolants topologiques un sujet brûlant pour des applications potentielles en informatique quantique et en technologie spintronique.
L'effet « grand écran » des isolants topologiques est la clé de l'avenir de l'informatique quantique.
Les isolants topologiques tels que Bi2Te3 et leurs alliages sont mentionnés en bonne place précisément en raison de leurs applications potentielles dans l'effet thermoélectrique. Ces matériaux sont généralement composés d'éléments lourds, qui peuvent réduire efficacement la conductivité thermique et ainsi améliorer l'efficacité de la conversion thermoélectrique. En étudiant les formes d'onde de bande des isolants topologiques, les chercheurs comprennent désormais comment réduire la masse effective d'électrons dans ces matériaux, augmentant ainsi la conductivité aux bords des vallées.
Perspectives de préparation et d'application d'isolants topologiques
La technologie de synthèse d'isolants topologiques devient de plus en plus mature, notamment le dépôt chimique organométallique en phase vapeur (MOCVD), le dépôt physique en phase vapeur (PVD) et l'épitaxie par jets moléculaires (MBE). En particulier, le MBE, parce qu’il est réalisé dans un environnement sous vide poussé, peut réduire efficacement la contamination des échantillons et est devenu la principale méthode de préparation de films minces monocristallins de haute qualité. Ce qui est plus intéressant, c’est que la croissance de couches minces d’isolants topologiques repose principalement sur les forces de Van der Waals entre les couches, ce qui rend plus réalisable la conception de circuits intégrés sur différents substrats.
Les recherches futures se concentreront sur la manière de mieux contrôler le processus de préparation de ces matériaux et d'explorer leurs possibilités dans un plus large éventail d'applications, notamment dans les domaines des matériaux supraconducteurs et des ordinateurs quantiques.
Avec une compréhension plus approfondie des propriétés des isolants topologiques, pouvons-nous développer davantage de matériaux pour la technologie quantique ?
