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    A la recherche des semi-métaux Weyl

    Discuter de leurs travaux sur les semi-métaux de Weyl sont (de gauche à droite) le scientifique invité Dominic Imbrenda, James Kolodzey, le professeur UD Charles Black Evans de génie électrique et informatique, l'étudiant de premier cycle Calvin Duong et le chercheur post-doctoral Tao Wang. Crédit :Université du Delaware

    Imaginez tout ce que vous pourriez accomplir si les circuits de votre ordinateur portable et de votre téléphone portable fonctionnaient 10 fois plus vite, et votre batterie a duré 10 fois plus longtemps, qu'ils ne le font maintenant.

    Pour comprendre la technologie de demain - et d'aujourd'hui - il faut revenir aux équations développées par les physiciens dans les années 30. L'un de ces physiciens était Hermann Weyl, qui en 1937 a théorisé l'existence des fermions de Weyl, particules sans masse qui pourraient transporter une charge électrique à grande vitesse. Personne n'a jamais observé ces particules isolément, mais des fermions de Weyl ont été repérés dans une classe spéciale de matériaux appelés semi-métaux de Weyl. En 2015, une équipe de recherche de Princeton a découvert que l'arséniure de tantale est un semi-métal de Weyl, et depuis lors, des équipes du monde entier étudient d'autres matériaux pour voir s'ils présentent les propriétés prédites par Weyl.

    Maintenant, une équipe d'ingénieurs électriciens de l'Université du Delaware a découvert que de nouveaux matériaux semi-métalliques, alliages de germanium et d'étain, ont des propriétés comme les semi-métaux de Weyl. Cela n'a été observé auparavant par aucun autre groupe de recherche.

    L'équipe est dirigée par James Kolodzey, Charles Black Evans professeur de génie électrique et informatique, qui étudie le passage du courant électrique à travers les matériaux.

    Les recherches du professeur James Kolodzey et de son équipe suggèrent que l'alliage de germanium et d'étain présenté a des propriétés similaires à celles des semi-métaux de Weyl. Crédit :Université du Delaware

    « Historiquement, les ingénieurs électriciens ont essayé de catégoriser les matériaux d'un point de vue électronique et optique, " a déclaré Kolodzey.  Par exemple, les métaux comme le cuivre et l'aluminium conduisent bien l'électricité en raison du mouvement des électrons, les particules subatomiques qui portent la charge électrique. « Dans les métaux, les électrons sont un peu lâches et circulent facilement, ", a déclaré Kolodzey. C'est pourquoi le cuivre est utilisé dans le câblage pour amener l'électricité dans les bâtiments.

    Les semi-métaux conduisent l'électricité, trop, tout simplement pas aussi efficacement que les métaux. Cependant, le courant peut se déplacer plus rapidement dans les semi-métaux que dans les semi-conducteurs, des matériaux comme le silicium qui sont couramment utilisés dans les puces informatiques, téléphones portables, et d'autres appareils électroniques grand public omniprésents.

    "Les électrons dans un semi-métal de Weyl sont très rapides, 10 fois plus rapide que dans un semi-conducteur classique, nous nous attendrions donc à ce que les circuits Weyl possibles aient des vitesses beaucoup plus élevées, " il a dit.

    Le carré sombre au centre est une fine pellicule de semi-métal germanium-étain, avec des électrodes en fil de cuivre, et fait l'objet de mesures électriques et optiques pour la présence éventuelle de fermions de Weyl. Crédit :Université du Delaware

    Le groupe de Kolodzey a montré que les matériaux qu'ils étudient, alliages de tellurure de molybdène et d'étain germanium, agissent comme des semi-métaux de Weyl. Par exemple, ils sont très sensibles à la lumière qui vibre selon un motif circulaire, une propriété des semi-métaux de Weyl qui pourrait être particulièrement utile dans les applications optiques et électroniques, de la télédétection à la médecine et plus encore.

    « À l'Université du Delaware, nous essayons d'utiliser l'ingénierie électrique pour faire des choses à partir de ces matériaux, " a déclaré Kolodzey. "Nous voulons des applications et des dispositifs pratiques, des transistors aux diodes en passant par les composants de circuits intégrés. Au lieu d'utiliser des semi-conducteurs, nous voulons les fabriquer avec des semi-métaux Weyl. Contrairement à tous les semi-métaux de Weyl connus, les alliages germanium-étain sont compatibles avec les procédés de fabrication de circuits en silicium."

    Ces appareils pourraient, en théorie, fonctionner à des vitesses élevées mais avec une faible consommation d'énergie. Même en utilisation intensive, les ordinateurs portables et les téléphones portables ne surchaufferaient pas, et les batteries dureraient beaucoup plus longtemps qu'elles ne le font maintenant.

    Les matériaux étudiés par l'équipe de Kolodzey pourraient également être utilisés pour optimiser les cellules solaires, qui convertissent l'énergie lumineuse en électricité, et aussi pour faire des détecteurs de lumière infrarouge, pour l'imagerie thermique.

    Un échantillon du tellurure de molybdène semi-métal Weyl, entouré de plots de contact circulaires et d'électrodes en fil de cuivre, pour une étude de dispositifs électriques et optiques à base de fermions de Weyl. Crédit :Université du Delaware

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