C'est ultra-mince, électriquement conducteur sur les bords et hautement isolant à l'intérieur, et tout cela à température ambiante :des physiciens de l'université de Würzburg ont mis au point un nouveau matériau prometteur.

La classe de matériaux des isolants topologiques est actuellement au centre de la recherche internationale sur les solides. Ces matériaux sont électriquement isolants à l'intérieur, car les électrons maintiennent des liaisons fortes avec les atomes. A leurs surfaces, cependant, ils sont conducteurs en raison des effets quantiques.

En outre, l'orientation de spin de l'électron est capable de transmettre des informations de manière très efficace. Il est protégé contre la diffusion lorsqu'il se déplace dans ces canaux de surface. Avec ces propriétés, les isolants topologiques pourraient réaliser un vieux rêve :le traitement direct des données basé sur le spin, ou ce qu'on appelle la spintronique.

Les concepts précédents ne fonctionnent qu'au réfrigérateur

Jusqu'à maintenant, cependant, il y a eu un obstacle majeur à l'utilisation de tels canaux de surface pour des applications techniques :"Comme la température d'un isolant topologique augmente, tous les effets quantiques sont effacés et avec eux, les propriétés particulières des arêtes électriquement conductrices, " explique le Dr Jörg Schäfer; il est professeur particulier à la Chaire de physique expérimentale 4 de l'Université de Würzburg.

Pour cette raison, tous les isolants topologiques connus doivent être refroidis à des températures très basses, généralement jusqu'à moins 270 degrés Celsius, pour pouvoir étudier les propriétés quantiques des canaux périphériques. "Bien sûr, de telles conditions sont peu praticables pour des applications potentielles telles que l'électronique ultra-rapide ou les ordinateurs quantiques, " dit le physicien.

Une équipe de physiciens de Würzburg a maintenant présenté un tout nouveau concept pour contourner élégamment ce problème. Les scientifiques ont publié leurs résultats dans le numéro actuel de Science .

Conception de matériaux ciblés

La percée de Würzburg repose sur une combinaison spéciale de matériaux :un film ultra-mince constitué d'une seule couche d'atomes de bismuth déposée sur un substrat de carbure de silicium.

Qu'est-ce qui rend cette combinaison si spéciale ? « La structure cristalline du substrat de carbure de silicium fait que les atomes de bismuth s'arrangent dans une géométrie en nid d'abeille lors du dépôt du film de bismuth, très similaire à la structure du « matériau miracle » du graphène, qui est composé d'atomes de carbone", Le professeur Ralph Claessen explique. A cause de cette analogie, le film ultra-fin est appelé "bismuthène".

Mais il présente une différence décisive par rapport au graphène :« Le bismuthène forme une liaison chimique avec le substrat, ", explique le professeur Ronny Thomale. Il joue un rôle central dans le nouveau concept pour fournir au matériau les propriétés électroniques souhaitées. Ceci est mis en évidence par la modélisation informatique:"Alors que le bismuth commun est un métal électriquement conducteur, la monocouche en nid d'abeille reste un isolant distinct, même à température ambiante et bien au-dessus, " ajoute le physicien. Pour créer artificiellement cette condition initiale tant désirée, les lourds atomes de bismuth sont ingénieusement combinés avec le substrat en carbure de silicium également isolant.

Autoroute électronique en bordure

Les canaux de conduction électronique entrent en jeu au bord d'un morceau de bismuthène. C'est là que se trouvent les canaux de bord métalliques, qui doivent être utilisés pour le traitement des données de l'avenir. Ceci n'a pas seulement été conclu théoriquement par l'équipe de recherche de Würzburg, il a également été prouvé dans des expériences utilisant des techniques microscopiques.

Afin d'exploiter les canaux de bord pour les composants électroniques, il est crucial qu'il n'y ait pas de court-circuit par l'intérieur du matériau topologique ou par le substrat. "Les isolants topologiques précédents nécessitaient un refroidissement extrême pour assurer cela, " explique Jörg Schäfer. Le nouveau concept de bismuthène rend cet effort inutile :le comportement isolant distinct du film et du substrat élimine tout court-circuit gênant.

Les scientifiques de Würzburg pensent qu'il s'agit de cette étape consistant à faire fonctionner le matériau à température ambiante, ce qui rendra la découverte intéressante pour des applications potentielles dans des conditions réalistes. "De tels canaux de conduction sont protégés topologiquement. Cela signifie qu'ils peuvent être utilisés pour transmettre des informations pratiquement sans perte, " dit Ralph Claessen. Cette approche rend la transmission de données avec peu de spins d'électrons concevable. Par conséquent, l'équipe de Würzburg attend de grandes avancées pour une technologie de l'information efficace.