À l'aide d'outils théoriques sophistiqués, Les chercheurs d'A*STAR ont identifié un moyen de construire des isolants topologiques, une nouvelle classe de matériaux spin-actifs, à partir de complexes planaires à base organique plutôt que de cristaux inorganiques toxiques.

La structure cristalline unique des isolants topologiques les rend isolants partout, sauf sur leurs bords. Parce que la conductivité de ces matériaux est localisée dans des états de surface quantifiés, le courant traversant les isolants topologiques acquiert des caractéristiques particulières. Par exemple, il peut polariser les spins des électrons dans une orientation unique, un phénomène que les chercheurs exploitent pour produire des « couplages spin-orbite » qui génèrent des champs magnétiques pour l'électronique de spin sans avoir besoin d'aimants externes.

De nombreux isolants topologiques sont fabriqués en exfoliant à plusieurs reprises des minéraux inorganiques, tels que les tellurures de bismuth ou les séléniures de bismuth, avec du ruban adhésif jusqu'à plat, des feuilles bidimensionnelles (2D) apparaissent. "Cela donne des propriétés supérieures par rapport aux cristaux en vrac, mais l'exfoliation mécanique a une mauvaise reproductibilité, " explique Shuo-Wang Yang du A*STAR Institute of High Performance Computing. " Nous avons proposé d'étudier des isolants topologiques basés sur des complexes de coordination organiques, car ces structures sont plus adaptées à la synthèse chimique humide traditionnelle que les matériaux inorganiques."

Les complexes de coordination sont des composés dans lesquels des molécules organiques appelées ligands se lient symétriquement autour d'un atome métallique central. Yang et son équipe ont identifié de nouveaux complexes de ligands organiques à forme persistante comme de bons candidats pour leur méthode. Ces composés comportent des ligands fabriqués à partir de petits, anneaux aromatiques rigides. En utilisant des métaux de transition pour lier ces blocs de construction organiques en anneaux plus grands appelés « macrocycles », les chercheurs peuvent construire des réseaux 2D étendus qui présentent une mobilité élevée des porteurs de charge.

Il est difficile de localiser des réseaux organiques 2D avec des propriétés d'isolant topologiques souhaitables lorsqu'on se fonde uniquement sur des expériences. Pour affiner cette recherche, Yang et ses collègues ont utilisé une combinaison de calculs quantiques et de simulations de structure de bande pour filtrer l'activité électronique de divers complexes organiques à forme persistante. L'équipe a recherché deux facteurs clés dans leurs simulations :des ligands capables de délocaliser les électrons dans un plan 2D similaire au graphène et un fort couplage spin-orbite entre les nœuds centraux des métaux de transition et les ligands.

La nouvelle famille d'isolants topologiques organiques potentiels des chercheurs comprend des macrocycles en nid d'abeilles 2D contenant des cycles triphényle, métaux palladium ou platine, et des groupes de liaison amino. Avec des caractéristiques quantiques prometteuses et une stabilité théorique élevée, ces complexes peuvent servir d'isolants topologiques dans des applications du monde réel.

"Ces matériaux sont faciles à fabriquer, et moins cher que leurs homologues inorganiques, " dit Yang. "Ils sont également adaptés pour l'assemblage directement sur des surfaces semi-conductrices, ce qui rend les applications nanoélectroniques plus réalisables."