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Concept
Isolant topologique
Résumé
Un isolant topologique est un matériau ayant une structure de bande de type isolant mais qui possède des états de surface métalliques. Ces matériaux sont donc isolants "en volume" et conducteurs en surface.
En 2007, cet état de matière a été réalisé pour la première fois en 2D dans un puits quantique de (Hg,Cd)Te . Le BiSb (antimoniure de bismuth) est le premier isolant topologique 3D à être réalisé. La spectroscopie de photoélectrons résolue en angle a été l'outil principal qui a servi à confirmer l'existence de l'état isolant topologique en 3D.
À la suite de ces deux découvertes, une troisième génération d'isolants topologiques a vu le jour. La manipulation dangereuse de certains éléments comme le mercure et l'antimoine encouragea plusieurs groupes à rechercher des matériaux plus sûrs et plus faciles à produire comme le Bi2Se3 ou bien le Bi2Te3. Peu après la découverte du BiSb, les états de surface du Bi2Se3 ont été observés. À présent, quelques matériaux candidats ont vu le jour. Certains alliages de Heusler ont été étudiés en théorie. Cependant, la fabrication de ces matériaux freine les chercheurs.
Plus récemment, en 2012, un nouvel ordre topologique - dit topologique cristallin - a été démontré et observé dans les sels de plomb et d'étain (par ex : SnTe). La structure électronique de l'ordre "topologique cristallin" présente des propriétés originales issues des propriétés de symétrie cristalline, tandis que les états électroniques de surface d'un isolant topologique conventionnel possèdent des propriétés qui résultent de la simple symétrie - T - par inversion du temps.
La structure électronique de ces matériaux présente une faible largeur de bande interdite (gap séparant l'état de plus haute énergie de la bande de valence, de l'état de plus faible énergie de la bande de conduction) de l'ordre de quelques dixièmes d'eV. Ce gap est donc plus proche de celui d'un semi-conducteur, que caractéristique d'un bon isolant conventionnel (gap de plusieurs eV). C'est dans ce faible gap que sont localisés les états de surface qui assurent la conduction électronique.
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