Est-ce topologique ? Une nouvelle base de données de matériaux a la réponse

Que faudra-t-il pour rendre nos appareils électroniques plus intelligents, plus rapides et plus résistants ? Une idée est de les construire à partir de matériaux topologiques.

La topologie découle d’une branche des mathématiques qui étudie les formes qui peuvent être manipulées ou déformées sans perdre certaines propriétés fondamentales. Un beignet est un exemple courant : s’il était en caoutchouc, un beignet pourrait être tordu et pressé dans une forme complètement nouvelle, comme une tasse à café, tout en conservant un trait clé, à savoir son trou central, qui prend la forme d’un l’anse de la tasse. Le trou, dans ce cas, est un trait topologique, robuste à certaines déformations.

Ces dernières années, les scientifiques ont appliqué les concepts de topologie à la découverte de matériaux dotés de propriétés électroniques tout aussi robustes. En 2007, des chercheurs ont prédit les premiers isolants topologiques électroniques, des matériaux dans lesquels les électrons se comportent de manière « topologiquement protégée » ou persistants face à certaines perturbations.

Depuis lors, les scientifiques ont recherché des matériaux plus topologiques dans le but de construire des dispositifs électroniques meilleurs et plus robustes. Jusqu’à récemment, seule une poignée de ces matériaux étaient identifiés et étaient donc considérés comme une rareté.

Maintenant, des chercheurs du MIT et d’ailleurs ont découvert qu’en fait, les matériaux topologiques sont partout, si vous savez comment les rechercher.

Dans un article publié dans Science, l’équipe, dirigée par Nicolas Regnault de l’Université de Princeton et de l’École Normale Supérieure de Paris, rapporte avoir exploité la puissance de plusieurs supercalculateurs pour cartographier la structure électronique de plus de 96 000 matériaux cristallins naturels et synthétiques. Ils ont appliqué des filtres sophistiqués pour déterminer si et quels types de traits topologiques existent dans chaque structure.

Dans l’ensemble, ils ont découvert que 90 % de toutes les structures cristallines connues contiennent au moins une propriété topologique, et que plus de 50 % de tous les matériaux naturels présentent une sorte de comportement topologique.

« Nous avons constaté qu’il y a une omniprésence – la topologie est partout », déclare Benjamin Wieder, co-responsable de l’étude et post-doctorant au département de physique du MIT.

L’équipe a compilé les matériaux nouvellement identifiés dans un nouveau Base de données des matériaux topologiques ressemblant à un tableau périodique de la topologie. Avec cette nouvelle bibliothèque, les scientifiques peuvent rechercher rapidement dans les matériaux d’intérêt toutes les propriétés topologiques qu’ils pourraient détenir et les exploiter pour construire des transistors ultra-basse consommation, un nouveau stockage de mémoire magnétique et d’autres dispositifs dotés de propriétés électroniques robustes.

L’article comprend le co-auteur principal Maia Vergniory du Vergniory du Centre international de physique de Donostia, Luis Elcoro de l’Université du Pays basque, Stuart Parkin et Claudia Felser de l’Institut Max Planck et Andrei Bernevig de l’Université de Princeton.

Au-delà de l’intuition

La nouvelle étude a été motivée par le désir d’accélérer la recherche traditionnelle de matériaux topologiques.

« La façon dont les matériaux d’origine ont été trouvés s’est faite par intuition chimique », explique Wieder. « Cette approche a eu beaucoup de succès au début. Mais comme nous avions théoriquement prédit plus de types de phases topologiques, il semblait que l’intuition ne nous menait pas très loin. »

Wieder et ses collègues ont plutôt utilisé une méthode efficace et systématique pour éliminer les signes de topologie, ou de comportement électronique robuste, dans toutes les structures cristallines connues, également appelées matériaux inorganiques à l’état solide.

Pour leur étude, les chercheurs se sont tournés vers la base de données sur la structure cristalline inorganique, ou ICSD, un référentiel dans lequel les chercheurs saisissent les structures atomiques et chimiques des matériaux cristallins qu’ils ont étudiés. La base de données comprend des matériaux trouvés dans la nature, ainsi que ceux qui ont été synthétisés et manipulés en laboratoire. L’ICSD est actuellement la plus grande base de données de matériaux au monde, contenant plus de 193 000 cristaux dont les structures ont été cartographiées et caractérisées.

L’équipe a téléchargé l’intégralité de l’ICSD, et après avoir effectué un nettoyage des données pour éliminer les structures avec des fichiers corrompus ou des données incomplètes, les chercheurs se sont retrouvés avec un peu plus de 96 000 structures traitables. Pour chacune de ces structures, ils ont effectué un ensemble de calculs basés sur une connaissance fondamentale de la relation entre les constituants chimiques, pour produire une carte de la structure électronique du matériau, également appelée structure de bande électronique.

L’équipe a pu effectuer efficacement les calculs compliqués pour chaque structure à l’aide de plusieurs superordinateurs, qu’ils ont ensuite utilisés pour effectuer un deuxième ensemble d’opérations, cette fois pour dépister diverses phases topologiques connues ou un comportement électrique persistant dans chaque matériau cristallin.

« Nous recherchons des signatures dans la structure électronique dans laquelle certains phénomènes robustes devraient se produire dans ce matériau », explique Wieder, dont les travaux précédents consistaient à affiner et à étendre la technique de criblage, connue sous le nom de chimie quantique topologique.

À partir de leur analyse à haut débit, l’équipe a rapidement découvert un nombre étonnamment élevé de matériaux qui sont naturellement topologiques, sans aucune manipulation expérimentale, ainsi que des matériaux qui peuvent être manipulés, par exemple avec un dopage léger ou chimique, pour présenter une sorte de robuste comportement électronique. Ils ont également découvert une poignée de matériaux qui contenaient plus d’un état topologique lorsqu’ils étaient exposés à certaines conditions.

« Les phases topologiques de la matière dans les matériaux à l’état solide 3D ont été proposées comme lieux d’observation et de manipulation d’effets exotiques, y compris l’interconversion du courant électrique et du spin électronique, la simulation sur table de théories exotiques de la physique des hautes énergies, et même, sous le bonnes conditions, le stockage et la manipulation des informations quantiques », note Wieder.

Pour les expérimentateurs qui étudient de tels effets, Wieder dit que la nouvelle base de données de l’équipe révèle maintenant une ménagerie de nouveaux matériaux à explorer.