Image de microscopie à effet tunnel d'un matériau 2D créé et étudié à la source lumineuse avancée de Berkeley Lab (orange, Contexte). Dans le coin supérieur droit, les points bleus représentent la disposition des atomes de tungstène et les points rouges représentent les atomes de tellure. Crédit :Berkeley Lab
Une équipe internationale de chercheurs, travaillant au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie et à l'UC Berkeley, a fabriqué un matériau atomiquement mince et mesuré ses propriétés exotiques et durables qui en font un candidat prometteur pour une branche naissante de l'électronique connue sous le nom de "spintronique".
Le matériau - connu sous le nom de 1T'-WTe2 - fait le pont entre deux domaines de recherche florissants :celui des matériaux dits 2-D, qui comprennent des matériaux monocouches tels que le graphène qui se comportent différemment de leurs formes plus épaisses ; et matériaux topologiques, dans lequel les électrons peuvent se déplacer de manière prévisible avec presque aucune résistance et quels que soient les défauts qui entraveraient normalement leur mouvement.
Aux bords de ce matériau, le spin des électrons - une propriété de particule qui fonctionne un peu comme une aiguille de boussole pointant vers le nord ou le sud - et leur élan sont étroitement liés et prévisibles.
Cette dernière preuve expérimentale pourrait élever l'utilisation du matériau en tant que sujet de test pour les applications de nouvelle génération, comme une nouvelle génération d'appareils électroniques qui manipulent sa propriété de rotation pour transporter et stocker des données plus efficacement que les appareils actuels. Ces traits sont fondamentaux pour la spintronique.
Le matériau est appelé isolant topologique car sa surface intérieure ne conduit pas l'électricité, et sa conductivité électrique (le flux d'électrons) est limitée à ses bords.
"Ce matériau devrait être très utile pour les études de spintronique, " dit Sung-Kwan Mo, un physicien et membre du personnel scientifique de l'Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab qui a codirigé l'étude, publié aujourd'hui dans Physique de la nature .
La ligne de faisceau 10.0.1 de la source lumineuse avancée de Berkeley Lab permet aux chercheurs de créer et d'étudier les propriétés de matériaux atomiquement minces. Crédit :Roy Kaltschmidt/Laboratoire de Berkeley
"Le flux des électrons est complètement lié à la direction de leurs spins, et se limite uniquement aux bords du matériau, " dit Mo. " Les électrons vont voyager dans une direction, et avec un type de rotation, ce qui est une qualité utile pour les dispositifs de spintronique. » De tels dispositifs pourraient éventuellement transporter des données de manière plus fluide, avec des demandes de puissance et une accumulation de chaleur moindres que ce qui est typique pour les appareils électroniques actuels.
« Nous sommes enthousiasmés par le fait que nous avons trouvé une autre famille de matériaux où nous pouvons à la fois explorer la physique des isolants topologiques 2D et faire des expériences qui peuvent conduire à de futures applications, " dit Zhi-Xun Shen, professeur de sciences physiques à l'Université de Stanford et conseiller pour la science et la technologie au SLAC National Accelerator Laboratory, qui a également codirigé l'effort de recherche. "Cette classe générale de matériaux est connue pour sa robustesse et sa bonne tenue dans diverses conditions expérimentales, et ces qualités devraient permettre au domaine de se développer plus rapidement, " il ajouta.
Le matériau a été fabriqué et étudié à l'ALS, une installation de recherche en rayons X connue sous le nom de synchrotron. Shujie Tang, chercheur postdoctoral invité au Berkeley Lab et à l'Université de Stanford, et co-auteur principal de l'étude, a contribué à la croissance d'échantillons cristallins de 3 atomes d'épaisseur du matériau dans un environnement hautement purifié, compartiment sous vide à l'ALS, en utilisant un procédé connu sous le nom d'épitaxie par faisceau moléculaire.
Les échantillons de haute pureté ont ensuite été étudiés à l'ALS en utilisant une technique connue sous le nom d'ARPES (ou spectroscopie de photoémission résolue en angle), qui fournit une sonde puissante des propriétés électroniques des matériaux.
« Après avoir affiné la recette de croissance, nous l'avons mesuré avec ARPES. Nous avons immédiatement reconnu la structure électronique caractéristique d'un isolant topologique 2D, " Tang a dit, basé sur la théorie et les prédictions. « Nous avons été les premiers à effectuer ce type de mesure sur ce matériau.
Mais parce que la partie conductrice de ce matériau, à son bord le plus externe, mesurant seulement quelques nanomètres d'épaisseur - des milliers de fois plus minces que le foyer du faisceau de rayons X - il était difficile d'identifier avec certitude toutes les propriétés électroniques du matériau.
