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Dévoiler la nature balistique du transport dans des nanofils de bismuth topologiques


Une propriété frappante des isolants topologiques bidimensionnels est que le courant n’est porté que par un très faible nombre d’états unidimensionnels, situés aux bords de la surface topologique. De plus, ce transport est censé être balistique, c’est-à-dire sans collision. Grâce à l’utilisation de contacts supraconducteurs, nous avons révélé un transport balistique à travers d’étroits canaux de bord dans des nanofils de bismuth monocristallins, suggérant que ce sont de potentiels isolants topologiques.

Une propriété frappante des isolants topologiques bidimensionnels est que le courant n’est porté que par un très faible nombre d’états unidimensionnels, situés aux bords de la surface topologique. De plus, ce transport est censé être balistique, c’est-à-dire sans collision. Grâce à l’utilisation de contacts supraconducteurs, nous avons révélé un transport balistique à travers d’étroits canaux de bord dans des nanofils de bismuth monocristallins, suggérant que ce sont de potentiels isolants topologiques.

L’état supraconducteur est caractérisé par sa cohérence macroscopique. Une propriété qui en découle est le fait qu’un supercourant peut traverser un isolant placé entre deux supraconducteurs. Brian Josephson a même prédit la forme du supercourant à travers une telle jonction Supraconducteur/Isolant/Supraconducteur (SIS) : le supercourant est proportionnel au sinus de la différence de phase, i.e. la différence entre les phases du paramètre d’ordre de chaque supraconducteur. Dans une géométrie annulaire, cette différence de phase est contrôlée par un champ magnétique, et est proportionnelle au flux magnétique dans la boucle. La fonction sinus découle de la décroissance exponentielle des fonctions d’onde dans la barrière isolante, dont l’épaisseur ne doit pas dépasser quelques Angströms. Au contraire, il a été découvert plus récemment qu’un supercourant peut traverser un matériau non supraconducteur (aussi appelé « normal ») de plus d’un micromètre de long. La relation entre le supercourant et la différence de phase (appelée relation courant-phase (RCP)) peut révéler la nature de la propagation dans le conducteur normal. Un régime de transport diffusif se traduit par une fonction pratiquement sinusoïdale, alors qu’un transport balistique se traduit par une relation courant-phase en dent de scie.

Nous avons exploité cette sensibilité de la RCP pour tester le transport dans un isolant topologique, pour lequel le courant doit être porté par un petit nombre de canaux parfaitement balistiques, appelés états de bord topologiques.

L’isolant topologique potentiel est un nanofil de bismuth monocristallin, dont l’orientation est choisie telle que le nanofil comporte deux surfaces topologiques, chacune avec ses états de bords unidimensionnels.

Nous avons en effet trouvé que le supercourant à travers un nanofil de bismuth de 1.4 microns de long vérifie une relation courant-phase avec cette forme en dent de scie très spécifique. Le signal est en réalité la somme de deux dents de scie de périodes légèrement différentes, provenant de deux bords du fil, qui définissent deux boucles de surfaces légèrement différentes. Un transport balistique sur une si longue distance est une indication qu’il existe une protection topologique contre les collisions dans ces nanofils. Des mesures haute fréquence sont en cours pour démontrer cette nature topologique.

Figure : La relation courant-phase est déduite de la mesure du courant critique (le supercourant maximal) de deux jonctions en parallèle, une configuration appelée SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) : Le SQUID de notre expérience est une boucle supraconductrice (en tungstène, coloriée en bleu) avec une jonction de référence de courant critique élevé (créée par une constriction visible dans le fil de tungstène inférieur), en parallèle avec la jonction dont on souhaite connaître la relation courant-phase (jonction tungstène/nanofil de Bismuth/tungstène, le nanofil de bismuth étant coloré en marron). Le courant critique total est modulé par la relation courant-phase de cette dernière jonction, à condition que son courant critique soit suffisamment petit. La courbe expérimentale (en bleu) représente donc la relation courant phase de la junction S/Bi/S. La courbe inférieure montre que cette relation courant phase est bien une somme de deux fonctions dents de scie de périodes légèrement différentes. Ceci est la démonstration que le supercourant est porté de façon balistique dans le nanofil de bismuth par deux chemins de conduction situés le long de deux bords du nanofil. La barre d’échelle correspond à 1 micron.

Référence

Ballistic edge states in Bismuth nanowires revealed by SQUID interferometry
Anil Murani, Alik Kasumov, Shamashis Sengupta, Yu A. Kasumov, V. T. Volkov, I. I. Khodos, F. Brisset, Raphaëlle Delagrange, Alexei Chepelianskii, Richard Deblock, Hélène Bouchiat & Sophie Guéron
Nature Communications 8, 15941 (2017)
doi:10.1038/ncomms15941

Contact

Sophie Guéron