Transport électronique dans les isolants topologiques – IsoTop

Une nouvelle catégorie de phases quantiques remarquables a été récemment découverte: les isolants topologiques. Ces phases résultent d'une structure de bande particulière générée par un fort couplage spin-orbite intrinsèque. En 2005, Kane et Mele ont montré que le couplage spin-orbite intrinsèque dans une feuille de graphène pouvait donner lieu à une nouvelle phase isolante possédant des états de bords métalliques analogues de ceux de l'Effet Hall Quantique. Cette phase dénommée Effet Hall Quantique de Spin (EHQS) est ici obtenue en l'absence de champ magnétique ou de toute brisure de la symétrie de renversement du temps. Ainsi les deux courants de bord contre propageant possèdent des spins opposés. De plus ces états de bord sont stables en présence de perturbations régulières comme le désordre non magnétique. Leur existence est une propriété topologique de la phase : cet EHQS constitue une nouvelle phase topologique à deux dimensions, obtenue en l'absence de tout champ magnétique, à l'opposé de l'Effet Hall Quantique usuel. Suite à une proposition théorique de Bernevig et al. en 2006, ces états de bords ont été observés peu de temps après dans des puits quantiques HgTe/CdTe par le groupe expérimental de Würzburg par des mesures de conductances à deux terminaux puis six terminaux.
Par la suite, deux groupes théoriques ont montré indépendamment que l’Effet Hall Quantique de Spin possède une remarquable généralisation en 3D sous la forme d’isolants topologiques possèdant des états de surface métalliques. L'existence de ces états de surface est à nouveau reliée à des effets d'inversion de bandes résultant d'un fort spin-orbite intrinsèque. La dispersion de ces états de surfaces est décrite par un (ou un nombre impair) de cône(s) de Dirac , par opposition aux graphène (ou d’autres cristaux bidimensionnels) qui en possèdent un nombre pair. La recherche de matériaux présentant ce nouvel état de la matière a démarré aux USA aussitôt après la prédiction théorique. Le premier candidat identifié en 2007 était l'alliage Bi1-xSbx bientôt rejoint depuis par les familles Bi2Te3 , Bi2Se3 et Sb2Te3 .
Plusieurs expériences de photo-émission résolue en spin ont confirmé l'existence d'un nombre impair de cônes de Dirac à la surface de Bi1-xSbx et Bi2Se3.
Si l'existence des isolants topologiques est maintenant bien établie, il existe très peu d'études sur les propriétés de transport. L'objectif de notre projet est d'explorer en détail les propriétés non conventionnelles de transport de ces états topologiques de bord et de surface en les contrastant systématiquement avec celles des métaux conventionnels. Par exemple, les états de bord et de surface de ces systèmes donnent des conducteurs de basse dimensionnalité stables vis-à-vis de la localisation d'Anderson en remarquable opposition avec les métaux uni- et bidimensionnels. Trois directions principales seront développées. En premier lieu, étant donné le caractère cohérent des états de surface, il apparaît naturel d'analyser les modifications de la physique de la localisation faible et des fluctuations universelles de conductances dans ces systèmes (Tâche 1). En second lieu, la physique des impuretés magnétiques dans les isolants topologiques, en particulier l'effet Kondo et les interactions Ruddermann-Kittel-Kasuya-Yosida induites par les états de surfaces doivent être analysés (Tâche 2). En dernier lieu, du fait de la formation de fermions de Majorana, des modifications remarquables de l'effet de proximité entre un supraconducteur et un isolant topologique sont attendues (Tâche 3). Chaque tâche apportera un éclairage sur les nouvelles propriétés des isolants topologiques, et l'ensemble des résultats offrira une compréhension plus profonde de ces matériaux.
Notre projet bénéficiera des collaborations internationales des principaux investigateurs avec les groupes leaders internationaux (Stanford, Berkeley, Würzburg) sur les isolants topologiques.