Le courant prend un chemin surprenant dans le matériau quantique

Les chercheurs de Cornell ont utilisé l'imagerie magnétique pour obtenir la première visualisation directe de la manière dont les électrons circulent dans un type spécial d'isolant et, ce faisant, ils ont découvert que le courant de transport se déplace à l'intérieur du matériau plutôt que sur les bords, comme les scientifiques le pensaient depuis longtemps. assumé.

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

L'article de l'équipe, « Visualisation directe du transport électronique dans un isolant à effet Hall anormal quantique », publié le 3 août dans Nature Materials. 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 à la Faculté des arts et des sciences et auteur principal de l'article, trouve son origine dans ce que l'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 global devient un isolant tandis qu'un courant électrique se déplace dans une seule direction le long du bord extérieur. Les résistances sont quantifiées, ou limitées, 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, obtient le même effet en utilisant un matériau magnétisé. La quantification se produit toujours et la résistance longitudinale disparaît, et les électrons se déplacent 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 obtenir cette quantification. Mais il s'avère que ce n'est pas la seule image qui peut expliquer la quantification », a déclaré Nowack. « Cette image périphérique est vraiment la plus dominante depuis l’essor spectaculaire des isolants topologiques à partir du début des années 2000. Les subtilités des tensions et des courants locaux ont été largement oubliées. En réalité, cela peut être beaucoup plus compliqué que ne le suggère l’image périphérique.

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 de bismuth et d'antimoine 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 de la Pennsylvania State University. Pour analyser 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 très petits, c'est donc une mesure difficile", a déclaré Nowack. « Et nous devions descendre en dessous d’un Kelvin en température pour obtenir une bonne quantification de l’échantillon. Je suis fier que nous ayons réussi cela.

Lorsque les chercheurs ont remarqué que les électrons circulaient dans la majeure partie du matériau, et non aux limites, ils ont commencé à fouiller dans d’anciennes études. Ils ont découvert que dans les années qui ont suivi la découverte initiale de l’effet Hall quantique en 1980, de nombreux débats ont eu lieu sur l’endroit où se produisait le flux – 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 circule le courant, que comprenons-nous réellement de ces matériaux ?