Un transistor basé sur le matériau 2-D ditellurure de tungstène (WTe 2 ) pris en sandwich entre le nitrure de bore peut basculer entre deux états électroniques différents, celui qui ne conduit le courant que le long de ses bords, ce qui en fait un isolant topologique, et un qui conduit le courant sans résistance, ce qui en fait un supraconducteur – des chercheurs du MIT et des collègues de quatre autres institutions l'ont démontré.

En utilisant des mesures à quatre sondes, une technique de transport électronique quantique commune pour mesurer le comportement électronique des matériaux, les chercheurs ont tracé la capacité de transport de courant et les caractéristiques de résistance du transistor bidimensionnel au ditellurure de tungstène et ont confirmé leurs découvertes sur une gamme de tensions appliquées et de champs magnétiques externes à des températures extrêmement basses.

"C'est la première fois qu'exactement le même matériau peut être accordé soit à un isolant topologique, soit à un supraconducteur, " dit Pablo Jarillo-Herrero, le professeur Cecil et Ida Green de physique au MIT. "Nous pouvons le faire par effet de champ électrique régulier en utilisant des diélectriques standards, Donc, en gros, le même type de technologie que vous utilisez dans l'électronique à semi-conducteurs standard."

Nouvelle classe de matériaux

"C'est le premier d'une nouvelle classe de matériaux - des isolants topologiques qui peuvent être réglés électriquement dans des supraconducteurs - qui ouvre de nombreuses possibilités qui, auparavant, étaient des obstacles importants à réaliser, ", dit Jarillo-Herrero. "Avoir un matériau où vous pouvez le faire de manière transparente dans le même matériau pour faire la transition entre cet isolant topologique et le supraconducteur est quelque chose qui est potentiellement très attrayant."

ditellurure de tungstène, qui est l'un des matériaux dichalcogénure de métal de transition, est classé comme un semi-métal et conduit l'électricité comme les métaux en vrac. Les nouvelles découvertes détaillent que sous une forme cristalline monocouche, à des températures de moins de 1 kelvin à la plage d'azote liquide (-320,4 degrés Fahrenheit), Le ditellurure de tungstène héberge trois phases distinctes :topologiquement isolant, supraconducteur, et métallique. Une tension appliquée entraîne la transition entre ces phases, qui varient avec la température et la concentration électronique. Dans les matériaux supraconducteurs, les électrons circulent sans résistance générant aucune chaleur.

Les nouveaux résultats ont été publiés en ligne dans la revue Science . Valla Fatemi Ph.D. '18, qui est maintenant post-doctorant à Yale, et post-doctorant Sanfeng Wu, qui est un Pappalardo Fellow au MIT, sont co-premiers auteurs de l'article avec l'auteur principal Jarillo-Herrero. Les co-auteurs sont Yuan Cao, étudiant diplômé du MIT; Landry Bretheau Ph.D. '18 de l'École Polytechnique en France; Quinn D. Gibson de l'Université de Liverpool au Royaume-Uni; Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon; et Robert J. Cava, professeur de chimie à l'université de Princeton.

Comme un fil quantique

Le nouveau travail s'appuie sur un rapport publié plus tôt cette année par les chercheurs démontrant l'effet Hall de spin quantique (QSH), qui est le phénomène physique de signature sous-jacent aux isolants topologiques bidimensionnels, dans le même matériau ditellurure de tungstène monocouche. Ce courant de bord est régi par le spin des électrons plutôt que par leur charge, et les électrons de spin opposé se déplacent dans des directions opposées. Cette propriété topologique est toujours présente dans le matériau à basse température.

Cet effet Hall de spin quantique a persisté jusqu'à une température d'environ 100 kelvins (-279,67 degrés F). "C'est donc l'isolant topologique 2-D à la température la plus élevée à ce jour, " dit le postdoctorant Sanfeng Wu, qui était également le premier auteur de l'article précédent. "Il est très important qu'un état quantique intéressant comme celui-ci survive à des températures élevées pour une utilisation dans des applications."

Ce comportement, dans lequel les bords du matériau ditellurure de tungstène agissent comme un fil quantique, a été prédit en 2014 dans un article théorique du professeur agrégé de physique Liang Fu et Ju Li, professeur de sciences et d'ingénierie nucléaires et de sciences et d'ingénierie des matériaux. Des matériaux présentant ces qualités sont recherchés pour les dispositifs informatiques spintroniques et quantiques.

Bien que le phénomène d'isolation topologique ait été observé jusqu'à 100 kelvins, le comportement supraconducteur dans le nouveau travail s'est produit à une température beaucoup plus basse d'environ 1K.

Ce matériau a l'avantage d'entrer dans l'état supraconducteur avec l'une des plus faibles densités d'électrons pour n'importe quel supraconducteur 2-D. "Cela signifie que cette faible densité de porteurs qui est nécessaire pour en faire un supraconducteur est celle que vous pouvez induire avec des diélectriques normaux, avec des diélectriques réguliers, et en utilisant un petit champ électrique, " explique Jarillo-Herrero.

Abordant les résultats du comportement isolant topologique dans le tellurure de tungstène 2-D dans le premier article, et les découvertes de la supraconductivité dans le second, Wu dit, "Ce sont des papiers jumeaux, chacun d'eux est beau et mis ensemble, leur combinaison peut être très puissante. » Wu suggère que les résultats ouvrent la voie à l'étude des matériaux topologiques 2D et pourraient ouvrir la voie à une nouvelle base matérielle pour les ordinateurs quantiques topologiques.

Les cristaux de ditellurure de tungstène ont été cultivés à l'Université de Princeton, tandis que les cristaux de nitrure de bore ont été cultivés à l'Institut national des sciences des matériaux au Japon. L'équipe du MIT a construit les dispositifs expérimentaux, réalisé les mesures électroniques de transport à des températures ultra-froides, et analysé les données à l'Institut.

Découverte simultanée

Jarillo-Herrero note que cette découverte selon laquelle le ditellurure de tungstène monocouche peut être syntonisé dans un supraconducteur à l'aide de techniques standard de nanofabrication de semi-conducteurs et d'effet de champ électrique a été réalisée simultanément par un groupe concurrent de collaborateurs, dont le professeur David Cobden à l'Université de Washington et le professeur agrégé Joshua Folk à l'Université de la Colombie-Britannique. (Leur article—"Gate-induit la supraconductivité dans un isolant topologique monocouche"—est publié en ligne en même temps dans Science Première sortie.)

"Cela a été fait indépendamment dans les deux groupes, mais nous avons tous les deux fait la même découverte, " dit Jarillo-Herrero. " C'est la meilleure chose qui puisse arriver que votre grande découverte soit immédiatement reproduite. Cela donne une confiance supplémentaire à la communauté que c'est quelque chose de très réel."

Jarillo-Herrero a été élu membre de l'American Physical Society plus tôt cette année sur la base de ses contributions fondamentales au transport électronique quantique et à l'optoélectronique dans les matériaux et dispositifs bidimensionnels.

Vers l'informatique quantique

Un domaine particulier où cette nouvelle capacité peut être utile est la réalisation de modes de Majorana à l'interface de matériaux topologiquement isolants et supraconducteurs. Prédit pour la première fois par les physiciens en 1937, Les fermions de Majorana peuvent être considérés comme des électrons divisés en deux parties, dont chacun se comporte comme une particule indépendante. Ces fermions n'ont pas encore été trouvés sous forme de particules élémentaires dans la nature mais peuvent émerger dans certains matériaux supraconducteurs proches du zéro absolu.

"C'est intéressant en soi du point de vue de la physique fondamentale, et en plus, il a des perspectives d'intérêt pour le calcul quantique topologique, qui est un type particulier d'informatique quantique, " dit Jarillo-Herrero.

L'unicité des modes Majorana réside dans leur comportement exotique lorsque l'on échange leurs positions, une opération que les physiciens appellent "tressage" parce que les traces dépendantes du temps de ces particules d'échange ressemblent à une tresse. Les opérations de tressage ne peuvent pas changer les états quantiques des particules régulières comme les électrons ou les photons, cependant, le tressage des particules de Majorana change complètement leur état quantique. Cette propriété atypique, surnommées "statistiques non abéliennes, " est la clé pour réaliser des ordinateurs quantiques topologiques. Un espace magnétique est également nécessaire pour épingler le mode Majorana à un endroit.

"Ce travail est très beau, " dit Jason Alicea, professeur de physique théorique à Caltech, qui n'a pas participé à cette recherche. "Les ingrédients de base nécessaires à l'ingénierie des modes de Majorana - la supraconductivité et l'espacement des états de bord par le magnétisme - ont maintenant été démontrés séparément dans WTe2."

"De plus, l'observation de la supraconductivité intrinsèque par gating est potentiellement une aubaine majeure pour les applications avancées des modes de Majorana, par exemple., tressage pour démontrer les statistiques non-abéliennes. À cette fin, on peut envisager de concevoir des complexes, des réseaux dynamiquement accordables d'états de bord supraconducteurs quantique-spin-Hall par des moyens électrostatiques." dit Alicea. "Les possibilités sont très excitantes."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.