Le courant prend un chemin surprenant dans le matériau quantique

La découverte fournit de nouvelles informations sur le comportement des électrons dans les isolateurs Hall anormaux quantiques et devrait aider à régler un débat de plusieurs décennies sur la façon dont le courant circule dans les isolateurs Hall quantiques plus généraux. Ces connaissances éclaireront le développement de matériaux topologiques pour les dispositifs quantiques de prochaine génération.

L’article de l’équipe, “Direct Visualization of Electronic Transport in a Quantum Anomalous Hall Insulator”, a été publié le 3 août dans Matériaux naturels. L’auteur principal est Matt Ferguson, Ph.D. ’22, actuellement chercheur postdoctoral à l’Institut Max Planck de physique chimique des solides en Allemagne.

Le projet, dirigé par Katja Nowack, professeur adjoint de physique au Collège des arts et des sciences et auteur principal de l’article, a ses origines dans ce qu’on appelle l’effet Hall quantique. Découvert pour la première fois en 1980, cet effet se produit lorsqu’un champ magnétique est appliqué à un matériau spécifique pour déclencher un phénomène inhabituel : l’intérieur de l’échantillon en vrac devient un isolant tandis qu’un courant électrique se déplace dans une seule direction le long du bord extérieur. Les résistances sont quantifiées, ou restreintes, à une valeur définie par la constante universelle fondamentale et tombent à zéro.

Un isolant Hall anormal quantique, découvert pour la première fois en 2013, produit le même effet en utilisant un matériau magnétisé. La quantification se produit toujours et la résistance longitudinale disparaît, et les électrons accélèrent le long du bord sans dissiper d’énergie, un peu comme un supraconducteur.

C’est du moins la conception populaire.

“L’image où 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. “Cette image de bord a vraiment été la dominante depuis la montée spectaculaire des isolants topologiques à partir du début des années 2000. Les subtilités des tensions locales et des courants locaux ont été largement oubliées. En réalité, celles-ci peuvent être beaucoup plus compliquées que l’image de bord. suggère.”

Seule une poignée de matériaux sont connus pour être des isolants Hall anormaux quantiques. Pour leurs nouveaux travaux, le groupe de Nowack s’est concentré sur le tellurure d’antimoine de bismuth dopé au chrome – le même composé dans lequel l’effet Hall anormal quantique a été observé pour la première fois il y a dix ans.

L’échantillon a été cultivé par des collaborateurs dirigés par le professeur de physique Nitin Samarth à l’Université d’État de Pennsylvanie. Pour scanner le matériau, Nowack et Ferguson ont utilisé le dispositif d’interférence quantique supraconducteur de leur laboratoire, ou SQUID, un capteur de champ magnétique extrêmement sensible qui peut fonctionner à basse température pour détecter des champs magnétiques extrêmement minuscules. Le SQUID image efficacement les flux de courant – qui génèrent le champ magnétique – et les images sont combinées pour reconstruire la densité de courant.

“Les courants que nous étudions sont vraiment, vraiment petits, c’est donc une mesure difficile”, a déclaré Nowack. “Et nous devions descendre en dessous d’un Kelvin de température pour obtenir une bonne quantification dans l’échantillon. Je suis fier que nous ayons réussi.”

Lorsque les chercheurs ont remarqué que les électrons circulaient dans la masse du matériau, et non sur les bords, ils ont commencé à fouiller dans d’anciennes études. Ils ont constaté que dans les années qui ont suivi la découverte originale de l’effet Hall quantique en 1980, il y avait beaucoup de débats sur l’endroit où le flux s’est produit – une controverse inconnue de la plupart des jeunes scientifiques des matériaux, a déclaré Nowack.

“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-t-elle déclaré. “Si nous ne comprenons pas comment le courant circule, que comprenons-nous réellement de ces matériaux?”

Répondre à ces questions pourrait également être pertinent pour construire des dispositifs plus complexes, tels que des technologies hybrides qui couplent un supraconducteur à un isolant Hall anormal quantique pour produire des états de matière encore plus exotiques.

“Je suis curieux d’explorer si ce que nous observons est vrai dans différents systèmes de matériaux. Il est possible que dans certains matériaux, le courant circule, mais différemment”, a déclaré Nowack. “Pour moi, cela met en évidence la beauté des matériaux topologiques – leur comportement dans une mesure électrique est dicté par des principes très généraux, indépendants des détails microscopiques. Néanmoins, il est crucial de comprendre ce qui se passe à l’échelle microscopique, à la fois pour notre compréhension fondamentale et nos applications. . Ce jeu de principes généraux et de nuances plus fines rend l’étude des matériaux topologiques captivante et fascinante.”

Les co-auteurs incluent le doctorant David Low ; et les chercheurs de Penn State Nitin Samarth, Run Xiao et Anthony Richardella.

La recherche a été principalement soutenue par le Bureau des sciences énergétiques fondamentales du Département américain de l’énergie, Division des sciences et de l’ingénierie des matériaux.

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