Une équipe de recherche composée de scientifiques de l'Université de Californie, Bord de rivière, et l'Université de Washington a pour la première fois imagé directement la "conduction de bord" dans du ditellurure de tungstène monocouche, ou WTe 2 , un isolant topologique 2D et un matériau quantique nouvellement découverts.

La recherche permet d'exploiter cette caractéristique de conduction de bord pour construire des appareils électroniques plus économes en énergie.

Dans un conducteur typique, le courant électrique circule partout. Isolateurs, d'autre part, ne conduisent pas facilement l'électricité. Dans les isolants topologiques, un type particulier de matériau, l'intérieur fonctionne comme un isolant, mais les limites de ces matériaux sont garanties conductrices en raison de sa propriété topologique, résultant en une caractéristique appelée "conduction de bord topologique".

La topologie est l'étude mathématique des propriétés d'une figure géométrique ou d'un solide inchangé par étirement ou flexion. L'application de ce concept aux matériaux électroniques conduit à la découverte de nombreux phénomènes intéressants, y compris la conduction de bord topologique. Fonctionnant comme des autoroutes pour les électrons, les canaux de conduction de bord topologique permettent aux électrons de voyager avec peu de résistance. Plus loin, parce que les canaux de bord peuvent être potentiellement très étroits, les appareils électroniques peuvent être encore miniaturisés.

Les résultats de l'étude paraissent aujourd'hui dans Avancées scientifiques .

"Plusieurs matériaux se sont avérés être des isolants topologiques 3-D, " dit Yongtao Cui, professeur assistant de physique et d'astronomie à l'UCR, qui a dirigé la recherche. "Mais les isolants topologiques 2-D sont rares. Plusieurs expériences récentes ont établi que la monocouche WTe 2 est le premier isolant topologique 2D atomiquement mince."

Cui a expliqué que pour un isolant topologique 3-D, la conduction apparaît à ses surfaces; pour un matériau en forme de feuille 2D, ces éléments conducteurs se trouvent simplement sur les bords de la feuille.

Le laboratoire de Cui a utilisé une nouvelle technique expérimentale appelée Microwave Impedance Microscopy, ou MIM, pour imager directement la conduction aux bords de la monocouche WTe 2 .

"Nos résultats confirment sans ambiguïté la conduction de bord dans ce matériau prometteur, " dit Cui.

Bien que WTe 2 existe depuis des décennies, l'intérêt pour ce matériau n'a augmenté que ces dernières années en raison de ses propriétés physiques et électroniques exotiques découvertes à l'aide de la physique topologique. WTe 2 les couches sont empilées via des interactions de van der Waals et peuvent être facilement exfoliées en minces, 2-D, feuilles de type graphène.

"En plus de la conduction sur les bords en monocouche WTe 2 , nous avons également constaté que les canaux conducteurs peuvent s'étendre à l'intérieur du matériau, en raison d'imperfections, telles que des fissures, " a déclaré Cui. "Nos observations indiquent de nouvelles façons de contrôler et de concevoir de tels canaux de conduction par des moyens mécaniques ou chimiques."

Les collaborateurs de Cui à l'Université de Washington ont préparé la monocouche WTe 2 échantillons. À l'UCR, son laboratoire a effectué la mesure MIM, qui impliquait d'envoyer un signal électrique micro-ondes à une pointe métallique pointue, et positionner la pointe près de la surface de la monocouche WTe 2 . En résolvant le signal hyperfréquence renvoyé par l'échantillon, les chercheurs ont pu déterminer si la région de l'échantillon directement sous la pointe était conductrice ou non.

"Nous avons scanné la pointe sur tout l'échantillon et cartographié directement la conductivité locale, " a déclaré Cui. "Nous avons effectué toutes les mesures à des températures cryogéniques, nécessaire pour monocouche WTe 2 pour montrer la propriété topologique. Les propriétés topologiques de la monocouche WTe 2 peut potentiellement servir de plate-forme pour réaliser des opérations essentielles en informatique quantique."

Le laboratoire de Cui explore déjà de nouvelles façons de manipuler les canaux de conduction de bord et la physique topologique dans le WTe monocouche 2 .

"Nous cherchons à savoir si l'empilage de monocouche WTe 2 avec d'autres matériaux 2D peut altérer sa propriété topologique, " at-il dit. "Nous utilisons également des méthodes mécaniques et chimiques pour créer des réseaux de canaux de conduction. La technique MIM que nous avons utilisée offre un moyen puissant pour caractériser les canaux de conduction dans les matériaux topologiques tels que la monocouche WTe 2 ."