L'instrumentation de Beamline 10.0.1 à la source lumineuse avancée de Berkeley Lab a été utilisée pour cultiver et étudier des échantillons ultrafins d'un matériau exotique connu sous le nom de bismuthide de sodium. Crédit :Marilyn Chung/Berkeley Lab
Des milliards de minuscules transistors fournissent la puissance de traitement des smartphones modernes, contrôler le flux d'électrons avec une commutation marche-arrêt rapide.
Mais les progrès continus dans l'intégration de plus de transistors dans des dispositifs plus petits poussent vers les limites physiques des matériaux conventionnels. Les inefficacités courantes dans les matériaux des transistors entraînent une perte d'énergie qui entraîne une accumulation de chaleur et une durée de vie plus courte de la batterie, les chercheurs sont donc à la recherche de matériaux alternatifs qui permettent aux appareils de fonctionner plus efficacement à faible puissance.
Maintenant, une expérience menée au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie a démontré, pour la première fois, commutation électronique dans un exotique, matériau ultrafin qui peut transporter une charge avec une perte presque nulle à température ambiante. Les chercheurs ont démontré cette commutation en soumettant le matériau à un champ électrique à faible courant.
L'équipe, qui était dirigée par des chercheurs de l'Université Monash en Australie et comprenait des scientifiques du Berkeley Lab, a fait croître le matériau à partir de zéro et l'a étudié avec des rayons X à la source de lumière avancée (ALS), une installation du laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l'Énergie des États-Unis (Berkeley Lab).
Le matériel, connu sous le nom de bismutide de sodium (Na3Bi), est l'un des deux matériaux connus pour être un "semi-métal topologique de Dirac, " ce qui signifie qu'il possède des propriétés électroniques uniques qui peuvent être réglées pour se comporter de différentes manières, dans certains cas davantage comme un matériau conventionnel et dans d'autres cas davantage comme un matériau topologique. Ses propriétés topologiques ont été confirmées pour la première fois lors d'expériences antérieures à l'ALS.
Structure Na3Bi illustrée avec des atomes de sodium blancs et des atomes de bismuth bleus. Crédit :FLOTTE
Les matériaux topologiques sont considérés comme des candidats prometteurs pour les transistors de nouvelle génération, et pour d'autres applications électroniques et informatiques, en raison de leur potentiel de réduction des pertes d'énergie et de la consommation d'énergie dans les appareils. Ces propriétés peuvent exister à température ambiante - une distinction importante par rapport aux supraconducteurs qui nécessitent un refroidissement extrême - et peuvent persister même lorsque les matériaux présentent des défauts structurels et sont soumis à des contraintes.
Les matériaux aux propriétés topologiques font l'objet d'intenses recherches de la communauté scientifique mondiale (voir un article connexe), et en 2016, le prix Nobel de physique a été décerné pour les théories liées aux propriétés topologiques des matériaux.
La facilité de faire passer le matériau étudié à l'ALS d'un état électriquement conducteur à un état isolant, ou état non conducteur, de bon augure pour ses futures applications transistors, dit Sung-Kwan Mo, un scientifique de l'ALS qui a participé à la dernière étude. L'étude est détaillée dans l'édition du 10 décembre de la revue La nature .
De gauche à droite :Shujie Tang, chercheur postdoctoral à l'Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab; Sung-Kwan Mo, un scientifique de l'ALS ; et James Collins et Mark Edmonds, chercheurs de l'Université Monash, réunis lors d'une expérience à ALS Beamline 10.0.1 en novembre. Crédit :Marilyn Chung/Berkeley Lab
Un autre aspect clé de la dernière étude est que l'équipe de l'Université Monash a trouvé un moyen de le faire pousser extrêmement mince, jusqu'à une seule couche disposée en nid d'abeilles d'atomes de sodium et de bismuth, et de contrôler l'épaisseur de chaque couche qu'ils créent.
"Si vous voulez faire un appareil, vous voulez le rendre mince, " a déclaré Mo. " Cette étude prouve que cela peut être fait pour Na3Bi, et ses propriétés électriques peuvent être facilement contrôlées avec une basse tension. Nous sommes un pas de plus vers un transistor topologique."
Michel Führer, un physicien de l'Université Monash qui a participé à l'étude, mentionné, "Cette découverte est un pas dans la direction des transistors topologiques qui pourraient transformer le monde du calcul."
Il ajouta, « L'électronique topologique à très basse consommation d'énergie est une réponse potentielle au défi croissant du gaspillage d'énergie dans l'informatique moderne. Les technologies de l'information et de la communication consomment déjà 8 % de l'électricité mondiale, et cela double chaque décennie."
James Collins, chercheur à l'Université Monash en Australie, travaille sur une expérience à Beamline 10.0.1, partie de la source lumineuse avancée de Berkeley Lab. Crédit :Marilyn Chung/Berkeley Lab
Dans la dernière étude, les chercheurs ont cultivé les échantillons de matériaux, mesurant plusieurs millimètres de côté, sur une plaquette de silicium sous ultravide à l'ALS Beamline 10.0.1 en utilisant un processus connu sous le nom d'épitaxie par faisceau moléculaire. La ligne de lumière permet aux chercheurs de cultiver des échantillons, puis de mener des expériences dans les mêmes conditions de vide afin d'éviter la contamination.
Cette ligne de lumière est spécialisée pour une technique aux rayons X connue sous le nom de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, ou ARPES, qui fournissent des informations sur la façon dont les électrons se déplacent dans les matériaux. Dans les matériaux topologiques typiques, les électrons circulent sur les bords du matériau, tandis que le reste du matériau sert d'isolant qui empêche cet écoulement.
Certaines expériences aux rayons X sur des échantillons similaires ont également été réalisées au Synchrotron australien pour démontrer que le Na3Bi ultrafin était autonome et n'interagissait pas chimiquement avec la plaquette de silicium sur laquelle il avait été cultivé. Les chercheurs ont également étudié des échantillons avec un microscope à effet tunnel à l'Université Monash qui a permis de confirmer d'autres mesures.
"Dans ces chemins de bordure, les électrons ne peuvent voyager que dans un sens, " a déclaré Mark Edmonds, un physicien de l'Université Monash qui a dirigé l'étude. "Et cela signifie qu'il ne peut y avoir de 'rétro-diffusion, ' qui est ce qui provoque la résistance électrique dans les conducteurs électriques conventionnels."
Dans ce cas, les chercheurs ont découvert que le matériau ultrafin devenait entièrement conducteur lorsqu'il était soumis au champ électrique, et pourrait également être commuté pour devenir un isolant sur l'ensemble du matériau lorsqu'il est soumis à un champ électrique légèrement plus élevé.
Mo a déclaré que la commutation électrique est une étape importante pour réaliser des applications pour les matériaux - d'autres efforts de recherche ont poursuivi des mécanismes tels que le dopage chimique ou la contrainte mécanique qui sont plus difficiles à contrôler et à effectuer l'opération de commutation.
L'équipe de recherche étudie d'autres échantillons pouvant être allumés et éteints de manière similaire pour guider le développement d'une nouvelle génération d'électronique à très basse énergie, dit Edmonds.
