De nouveaux dispositifs électroniques économes en énergie peuvent être possibles grâce à des recherches qui démontrent l'effet Hall anormal quantique (QAH) - où un courant électrique ne perd pas d'énergie lorsqu'il circule le long des bords du matériau - dans un plus large éventail de conditions. Une équipe de chercheurs de Penn State a réalisé expérimentalement l'effet QAH dans un isolant multicouche, produisant essentiellement une autoroute à plusieurs voies pour le transport d'électrons qui pourrait augmenter la vitesse et l'efficacité du transfert d'informations sans perte d'énergie.

"La faible consommation d'énergie est la clé des appareils électroniques, il y a donc beaucoup de recherches sur les matériaux qui peuvent améliorer l'efficacité du flux d'électrons, " dit Cui-Zu Chang, professeur adjoint de physique à Penn State qui a dirigé la recherche. "L'augmentation du nombre d'électrons dans la plupart des métaux entraîne une sorte d'embouteillage car les électrons se déplaçant dans des directions différentes se dispersent et se repoussent. Mais dans les isolateurs QAH, le flux d'électrons est contraint aux bords, et les électrons sur un bord ne peuvent aller que dans une direction et ceux de l'autre bord ne peuvent aller que dans la direction opposée, comme diviser une route en une autoroute à deux voies. Dans cette étude, nous avons fabriqué des isolateurs QAH qui pourraient être superposés pour créer essentiellement des autoroutes parallèles les unes sur les autres. »

Les isolants QAH sont créés dans un matériau appelé isolant topologique - une fine couche de film d'une épaisseur de seulement quelques dizaines d'atomes - qui a été rendu magnétique afin qu'ils ne conduisent le courant que le long des bords. Pour rendre magnétiques les isolants topologiques, les chercheurs ajoutent des impuretés magnétiques dans le matériau dans un processus appelé dopage magnétique dilué. Dans cette étude, l'équipe de recherche de Penn State a utilisé une technique appelée épitaxie par faisceau moléculaire pour fabriquer des isolants topologiques multicouches, contrôlant soigneusement l'endroit où le dopage magnétique s'est produit.

"Les isolateurs QAH sont particulièrement intéressants car ils n'ont théoriquement aucune dissipation d'énergie, ce qui signifie que les électrons ne perdent pas d'énergie sous forme de chaleur lorsque le courant électrique circule le long des bords, " dit Chao-Xing Liu, professeur agrégé de physique à Penn State et co-auteur de l'article. "Cette propriété unique fait des isolants QAH un bon candidat pour une utilisation dans les ordinateurs quantiques et autres petits, appareils électroniques rapides."

Dans les études antérieures, l'effet QAH n'avait été réalisé expérimentalement que dans des matériaux où une quantité importante appelée nombre de Chern avait une valeur de 1, essentiellement avec une seule autoroute à deux voies pour les électrons. Dans cette étude, les chercheurs ont empilé des couches alternées d'isolants topologiques magnétiques et non magnétiques et ont pu réaliser l'état QAH avec des nombres de Chern jusqu'à 5, essentiellement la construction de 5 autoroutes parallèles pour les électrons de chaque côté du matériau pour un total de 10 voies. Ils présentent leurs résultats dans un article paru en ligne le 16 décembre dans la revue La nature .

"Nous constatons une certaine dissipation de courant aux points de connexion entre les isolants QAH et les électrodes métalliques, qui se produit sous forme de chaleur, " a déclaré Liu. " Vous pouvez y penser comme les rampes d'accès et de sortie d'une autoroute très fréquentée, où l'étroite voie de jonction dans la circulation locale vous ralentit. En construisant plus d'autoroutes parallèles, plus de voies de fusion peuvent relier les autoroutes au trafic local, afin que la vitesse globale de l'ensemble du système de circulation puisse être considérablement améliorée."

Les chercheurs ont découvert qu'en augmentant l'épaisseur des couches isolantes QAH, soit en manipulant la concentration de dopage magnétique dans la couche QAH, ils pourraient régler le nombre Chern de l'échantillon. "En d'autres termes, nous pourrions changer le nombre de voies de l'autoroute avec un bouton externe, " a déclaré Chang. " Même à des nombres élevés de Chern, les isolateurs QAH n'avaient pas de dissipation le long des canaux de bordure. Cela fournit une preuve de concept pour les appareils qui tirent parti de ce courant de bord sans dissipation."

Dans cette étude, les chercheurs ont soigneusement fabriqué des isolateurs QAH séparés avec différents numéros de Chern. À l'avenir, ils espèrent développer une technique pour régler le nombre de Chern d'un échantillon déjà fabriqué, pour le contrôle "en temps réel" du trafic d'électrons dans une autoroute de l'information.

Traduire l'avancée fondamentale réalisée dans cette étude en une technologie pratique est toujours un défi puisque les phénomènes étudiés ici sont limités à des températures très basses - environ un centième de degré Kelvin au-dessus du zéro absolu. Mais Chang est optimiste :« Grâce à la synthèse de matériaux créatifs, nous pouvons imaginer des scénarios qui pourraient nous aider à réaliser ces effets dans des conditions technologiquement pertinentes."