Les physiciens du Laboratoire de Physique des Solides (CNRS/Université Paris-Saclay) ont mis en évidence des états électroniques unidimensionnels cohérents et balistiques le long des arêtes du cristal topologique Bi₄Br₄, révélés par des interférences quantiques sur plusieurs micromètres.
Les isolants topologiques sont des matériaux fascinants : leur intérieur est isolant, mais leurs bords conduisent l’électricité de manière protégée par des propriétés quantiques fondamentales. Une nouvelle classe, les isolants topologiques d’ordre supérieur, pousse ce concept encore plus loin : dans ces systèmes, la conduction est confinée non plus aux surfaces, mais aux arêtes du cristal, sous forme d’états électroniques unidimensionnels.
Dans ce travail, les chercheurs ont étudié le matériau Bi₄Br₄, un candidat prometteur pour ce type de phase topologique. En mesurant le transport électrique dans de petits cristaux exfoliés, ils mettent en évidence des états électroniques balistiques et cohérents sur plusieurs micromètres. Autrement dit, les électrons peuvent s’y déplacer sans diffusion sur des distances remarquablement longues.
Un résultat clé repose sur l’observation d’interférences quantiques de type Aharonov-Bohm, signature directe de la cohérence de phase des électrons. Ces interférences révèlent que les états conducteurs se propagent le long des arêtes du cristal et peuvent interagir entre eux, formant des boucles quantiques sensibles au champ magnétique.
De manière surprenante, les contacts électriques, bien qu’imparfaits, jouent un rôle essentiel : ils introduisent une région désordonnée mais cohérente qui permet de révéler ces effets d’interférence. Cette situation met en lumière une physique riche, combinant transport balistique unidimensionnel et phénomènes quantiques mésoscopiques.
Ces résultats établissent clairement Bi₄Br₄ comme un isolant topologique d’ordre supérieur et ouvrent des perspectives pour l’utilisation de ces états robustes dans des dispositifs quantiques, notamment en électronique sans dissipation ou en calcul quantique.
Contributeur·rice·s :
Jules Lefeuvre, Masaru Kobayashi, Gilles Patriarche, Nathaniel Findling, David Troadec, Meydi Ferrier, Sophie Guéron, Hélène Bouchiat, Takao Sasagawa, Richard Deblock
Laboratoire de Physique des Solides (CNRS / Université Paris-Saclay)
Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (CNRS / Université Paris-Saclay)
Université de Lille – IEMN
Institute of Science Tokyo
Financements
JSPS KAKENHI, JST CREST, ERC (BALLISTOP), réseau Renatech, CPER IMITECH, Métropole Européenne de Lille, Union européenne
Référence
J. Lefeuvre et al., Quantum Coherent Transport of 1D Ballistic States in Second-Order Topological Insulator Bi₄Br₄, Physical Review X (2026)
HAL : https://hal.science/hal-04970280