Depuis leur découverte en 2006, les isolants topologiques ont été largement discutés comme une voie prometteuse pour l'électronique économe en énergie. Leurs états de bord uniques à haute mobilité ont une forme d'« armure quantique » qui les protège des événements de diffusion d'électrons qui produiraient autrement de la chaleur perdue.

Malheureusement, les applications pratiques des isolants topologiques ont été sévèrement limitées par les petites bandes interdites électroniques dans la plupart des matériaux connus. Cela signifie que bien qu'ils fonctionnent bien à très basse température en produisant des électrons de surface très mobiles, à des températures plus élevées, les états électroniques de masse dominent, et ceux-ci ne sont pas meilleurs que dans d'autres semi-conducteurs traditionnels.

Maintenant, une équipe dirigée par le professeur Xiaolin Wang (UOW) en collaboration avec Michael Fuhrer (Monash), ont combiné une chimie intelligente et des mesures électroniques avancées pour développer un nouvel isolant topologique avec une bande interdite "large" supérieure à 300 meV, qui est 12 fois plus grande que l'énergie thermique d'un système à température ambiante.

L'auteur principal de l'étude, un Weiyao Zhao, un doctorat étudiant à Wollongong explique, "La particularité de ce matériau est la combinaison d'une large bande interdite, et l'existence d'un état de surface robuste."

Des études antérieures ont suggéré que la substitution du soufre dans un Sb 2 Te 3 ou Bi 2 Te 3 des isolants topologiques entraîneraient une plus grande bande interdite. Cependant, ceci est très difficile en pratique car la structure cristalline devient instable en raison de la non-concordance de taille des atomes.

Pour atteindre la stabilité, Zhao a utilisé un schéma basé sur la co-substitution du soufre équilibré par une petite quantité d'ions de vanadium et d'étain plus gros résultant du matériau complexe Vx:Bi 1.08 -xSn 0,02 Sb 0,9 Te 2 S. De tels composés sont parfois appelés en plaisantant composés de « numéros de téléphone » par les physiciens et les chimistes en raison de leurs longues formules chimiques.

Ce composé était l'aboutissement de deux années d'expérimentation par Zhao, qui est maintenant en dernière année de son doctorat. à Wollongong.

Une conclusion clé a été la preuve claire d'une bande interdite croissante qui évolue avec la teneur en vanadium. En tandem, utilisant une technique de transport basée sur l'observation d'oscillations quantiques de champs magnétiques à différents angles, l'équipe a pu démontrer que l'état de surface est actif jusqu'aux températures élevées de 50 K. Cela place le matériau au même niveau que les meilleurs isolants topologiques connus.

Avec la large bande interdite intrinsèque, il existe de fortes perspectives pour augmenter encore les températures opérationnelles en réduisant les concentrations de défauts et en déployant des techniques de nanofabrication.

Le professeur Wang a déclaré :« Nous sommes en mesure d'observer l'état de surface topologique 2-D robuste à une température aussi élevée que 50K dans des champs magnétiques allant jusqu'à 14 Tesla sur des cristaux isolants topologiques de grande taille. C'est remarquable, car de grands cristaux isolants topologiques 3-D peuvent être utilisés comme nouvelle classe de substrats pour héberger de nouveaux états quantiques tels que les fermions de Majorana et d'autres effets dépendants du spin.

Ce développement s'inscrit dans le thème de la technologie habilitante au sein de FLEET qui vise à développer des matériaux capables de fonctionner à haute température pour remplacer le silicium dans les technologies informatiques.

Le papier, " Oscillations quantiques d'états de surface topologiques robustes jusqu'à 50 K dans un isolant topologique épais et isolant en vrac, " a été publié dans Matériaux quantiques npj .