La topologie des matériaux isolants
Les isolants topologiques interdisent le passage du courant dans leur masse, mais conduisent l'électricité en surface. Les isolants ordinaires n'ont pas un tel comportement. Les deux phases de la matière coexistent dans des métaux lourds comme le bismuth et l'antimoine, ce qui est la clé de futures applications en spintronique et en électronique. La plupart des analyses de ces matériaux se sont basées sur des modèles très simplifiés, dans lesquels les électrons à l'intérieur du solide n'agissaient pas les uns sur les autres. Les chercheurs du projet QETPM («Quantum entanglement and topological phases of matter») ont conduit une analyse plus détaillée. Ils ont approché la structure des isolants topologiques à l'aide d'un système de particules quantiques interagissant sur un réseau cristallin en présence de champs magnétiques. La réalisation expérimentale de tels systèmes utilise des atomes ultra froids, mais les chercheurs de QETPM ont proposé la description théorique la plus adéquate des isolants topologiques. Les chercheurs ont établi une relation rigoureuse entre le problème d'Hofstadter sans interaction et les isolants topologiques, identifiant une correspondance entre les états de base de ces systèmes. Ils ont aussi étudié si les règles qui gouvernent la formation des états de Hall quantiques pour plusieurs systèmes de réseaux cristallins en interaction s'appliquaient aux supraconducteurs couplés. À très basse température et en présence de forts champs magnétiques, les couches minces de semi-conducteurs présentent l'effet de Hall quantique. Ce même état, dans lequel les électrons circulent sans perte d'énergie, peut être reproduit dans les nouveaux isolants topologiques. Les chercheurs de QETPM ont découvert une large variété d'états de Hall quantiques, dans des réseaux cristallins avec différentes interactions entre et dans les couches. Ils ont déduit les spectres d'excitation de ces systèmes en plusieurs couches, et prévu les ordres topologiques de ces états. Les phases de la matière se distinguent par leur structure, nommées ordres par les scientifiques. Les nouveaux ordres topologiques découverts par le projet QETPM devraient élargir et approfondir la compréhension des phases de la matière. Ils peuvent aussi guider les chercheurs vers de nouvelles phases et expliquer comment un matériau habituel peut devenir un isolant topologique.
Mots‑clés
Isolants topologiques, phases de la matière, isolants électriques, spintronique, intrication quantique
