Inédit : un effet quantique a été observé à température ambiante dans un matériau de type "isolant topologique"

Shafayat Hossain and M. Zahid Hasan of Princeton University

S’affranchissant de certaines contraintes qui limitent habituellement les expériences de physique quantique, une équipe de l’Université de Princeton (États-Unis) est parvenue à observer un effet quantique connu sous le nom "d'effet Hall quantique de spin" dans des conditions de température ambiante, une découverte prometteuse pour de futures technologies quantiques.

La physique quantique regorge d’effets originaux et inhabituels, qui laissent rêveur quant à leurs applications possibles. Et si certaines technologies, comme les capteurs ou les horloges quantiques, connaissent déjà de belles réussites, d’autres comme le fameux ordinateur quantique se heurtent à des contraintes techniques très fortes. Parmi ces dernières, la nécessité courante de devoir placer les matériaux qui sont le siège d’effets quantiques à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu (-273,15°C). La faute notamment à l’agitation thermique : dès que l’on monte en température, les atomes se mettent à vibrer, les électrons à bouger, et ce mouvement vient casser le fragile état quantique dans lequel se trouve un matériau.

L'agitation thermique met à mal les effets quantiques

Par exemple, les isolants topologiques sont des matériaux qui sont isolants en volume (les électrons à l’intérieur ne sont pas libres de se déplacer, donc le courant électrique ne passe pas) mais très conducteurs en surface, ce qui les rend sensibles à différents effets quantiques. Or l’agitation thermique rend le matériau entièrement conducteur dans le volume, causant la diffusion d’électrons entre surface et volume, lui faisant ainsi perdre ses propriétés quantiques. Le défi est donc de trouver un matériau qui résiste à ces conditions, et c’est ce qu’a réussi l’équipe qui présente son travail dans Nature Materials.

C’est dans du bromure de bismuth (Bi4Br4), un composé inorganique cristallin, que les scientifiques de Princeton ont trouvé un "gap" suffisamment grand (200 millielectronvolts) pour permettre de maintenir un effet quantique à température ambiante.

Dans un matériau, les électrons peuvent prendre différentes énergies bien définies et réparties en niveaux appelés "bandes". Le gap, c’est la quantité d’énergie qui sépare la dernière bande complètement remplie d’électrons (bande de valence) et la suivante (bande de conduction) : si elles sont suffisamment proches, des é[...]

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