La mode évolue dans le monde d'avant-garde des matériaux de composants informatiques de nouvelle génération. Les semi-conducteurs traditionnels comme le silicium sortent leurs dernières nouvelles gammes. Des matériaux exotiques appelés isolants topologiques (TI) sont en route. Et quand il s'agit de refroidir, l'azote est le nouvel hélium.

Cela a été clairement démontré dans une nouvelle expérience au National Institute of Standards and Technology (NIST) qui a été réalisée par une collaboration multi-institutionnelle comprenant l'UCLA, NIST et l'Institut de technologie de Pékin en Chine.

Les isolants topologiques sont une nouvelle classe de matériaux qui ont été découverts il y a moins d'une décennie après des travaux théoriques antérieurs, récompensé par le prix Nobel de physique 2016, prédit qu'ils pourraient exister. Les matériaux sont des isolants électriques à l'intérieur et ils conduisent l'électricité sur la surface extérieure. Ils sont passionnants pour les concepteurs d'ordinateurs car le courant électrique les parcourt sans évacuer de chaleur, ce qui signifie que les composants fabriqués à partir d'eux pourraient réduire la production de chaleur élevée qui afflige les ordinateurs modernes. Ils pourraient aussi être exploités un jour dans des ordinateurs quantiques, qui exploiterait des propriétés moins familières des électrons, comme leur rotation, faire des calculs de manière entièrement nouvelle. Lorsque les TI conduisent l'électricité, tous les électrons circulant dans une direction ont le même spin, une propriété utile que les concepteurs d'ordinateurs quantiques pourraient exploiter.

Les propriétés spéciales qui rendent les TI si excitantes pour les technologues ne sont généralement observées qu'à très basse température, nécessitant généralement de l'hélium liquide pour refroidir les matériaux. Non seulement cette demande de froid extrême rend les TI peu susceptibles de trouver une utilisation dans l'électronique tant que ce problème n'est pas résolu, mais cela rend également difficile leur étude en premier lieu.

Par ailleurs, rendre les TI magnétiques est essentiel pour développer de nouveaux appareils informatiques passionnants avec eux. Mais même les amener au point où ils peuvent être magnétisés est un processus laborieux. Deux façons de le faire ont été d'infuser, ou "dope, " le TI avec une petite quantité de métal magnétique et/ou pour empiler de fines couches de TI entre des couches alternées d'un matériau magnétique appelé ferromagnétique. Cependant, augmenter le dopage pour pousser la température plus haut perturbe les propriétés TI, tandis que le magnétisme plus puissant des couches alternatives peut submerger les TI, ce qui les rend difficiles à étudier.

Pour contourner ces problèmes, Les scientifiques de l'UCLA ont essayé une substance différente pour les couches alternées :un antiferromagnétique. Contrairement aux aimants permanents de votre réfrigérateur, dont les atomes ont tous des pôles nord qui pointent dans la même direction, les matériaux antiferromagnétiques multicouches (AFM) avaient des pôles nord pointant dans un sens dans une couche, et l'inverse dans la couche suivante. Parce que le magnétisme de ces couches s'annule, l'AFM global n'a pas de magnétisme net, mais une seule couche de ses molécules en a. C'était la couche la plus externe de l'AFM que l'équipe de l'UCLA espérait exploiter.

Heureusement, ils ont constaté que l'influence de la couche la plus externe magnétise le TI, mais sans la force écrasante que les matériaux magnétiques précédemment utilisés apporteraient. Et ils ont découvert que la nouvelle approche a permis aux TI de devenir magnétiques et de démontrer toutes les caractéristiques attrayantes du TI à des températures bien supérieures à 77 Kelvin - encore trop froides pour être utilisées comme composants électroniques grand public, mais suffisamment chaud pour que les scientifiques puissent utiliser de l'azote pour les refroidir à la place.

"Cela les rend beaucoup plus faciles à étudier, " dit Alex Grutter du NIST Center for Neutron Research, qui s'est associé aux scientifiques de l'UCLA pour clarifier les interactions entre les couches globales du matériau ainsi que sa structure de spin.

"Non seulement pouvons-nous explorer plus facilement les propriétés des TI, mais nous sommes excités parce que pour un physicien, trouver un moyen d'augmenter la température de fonctionnement, cela suggère considérablement qu'il pourrait y avoir d'autres moyens accessibles de l'augmenter à nouveau. Soudainement, Les TI à température ambiante ne semblent pas aussi hors de portée."