​Les états isolants topologiques sont des phases quantiques de la matière, qui sont isolantes à l'intérieur de leurs volumes (3D) et conductrices sur leurs surfaces (2D).

Des matériaux à l'état solide, contenant de telles phases, ont pu être identifiés expérimentalement presque immédiatement après avoir été prédits théoriquement, grâce au fait que les états conducteurs de surface caractéristiques des isolants topologiques peuvent être aisément détectés par microscopies à effet tunnel et de photoémission.

Au cours des quinze années écoulées depuis la découverte des isolants topologiques, les scientifiques ont appris que des milliers d'autres familles de matériaux présentent des caractéristiques topologiques un peu différentes. En particulier, ils ont récemment découvert que de nombreux matériaux isolants en volume sont aussi isolants sur leurs surfaces (2D) et ne sont conducteurs que sur des « canaux » (1D) ou « charnières ». Ces matériaux sont appelés « isolants topologiques cristallins » et la théorie des isolants topologiques ne s'applique pas à eux.

Une signature exclusive d'isolant topologique cristallin ?

À la suite d'expériences pionnières sur le bismuth réalisées par le Laboratoire de physique du solide (Orsay), des états « charnières » 1D fortement métalliques ont été observés dans un certain nombre de candidats isolants topologiques cristallins. Cependant, de récentes avancées théoriques et d'autres expériences ont soulevé la question de savoir si la conduction dans les états « charnières » représente réellement une signature expérimentale exclusive d'un isolant topologique cristallin ou simplement un effet intéressant mais extrinsèque.

Afin d'éclaircir ce problème, une équipe internationale codirigée par Benjamin Wieder (IPhT) a prédit de nouvelles signatures en volume (3D) et en surface (2D) des états isolants topologiques cristallins. 

• Grâce à des calculs numériques approfondis en relation avec le degré de liberté du spin des électrons, l'équipe a découvert que les surfaces isolantes des isolants topologiques cristallins ne sont pas dépourvues de caractéristiques intéressantes, comme on le supposait auparavant. Elles contiennent au contraire un schéma nouveau de mouvement électronique : des orbites circulaires contra-propagatives, variant en fonction du spin de chaque électron. 
• Les chercheurs ont notamment établi que ce modèle se distingue du comportement des électrons dans tous les autres isolants 2D connus présentant de faibles interactions électron-électron et qu'il peut être testé par des expériences optiques. 
• Enfin, ils ont identifié un matériau facilement accessible, le bromure de bismuth, comme un isolant topologique cristallin hébergeant cette nouvelle phase isolante en surface (2D).

Ces nouveaux résultats théoriques, obtenus dans le cadre d'un projet ERC Starting, devraient donc pouvoir être validés expérimentalement dans un avenir proche.