La densité électronique mesurée (à gauche) sur le réseau triangulaire d'indium (à droite). La figure montre comment les électrons (en jaune) ne sont pas assis sur la position atomique mais occupent plutôt les vides entre les deux (rouge et bleu). Par conséquent, une connectivité émergente en nid d'abeille apparaît formellement équivalente au graphène bien connu. À la fois, ce motif en nid d'abeille "caché" dote l'indène d'une bande interdite beaucoup plus grande, en le transformant en un système Hall de spin quantique supérieur. Crédit :ct.qmat
Téléphones intelligents, les ordinateurs portables et autres appareils électroniques de notre vie quotidienne bénéficient fortement de la miniaturisation toujours croissante des dispositifs à semi-conducteurs. Cette évolution a cependant un prix :le confinement des électrons améliore leur diffusion – les téléphones portables chauffent.
Les isolants topologiques sont prometteurs pour une technologie plus efficace et durable. En contradiction avec les semi-conducteurs conventionnels, le courant passe sur leurs frontières, la diffusion devenant interdite pour des raisons de symétrie. En d'autres termes, les choses restent cool ! En 2007, Laurens Molenkamp, physicien à l'Université de Würzburg et membre du Cluster of Excellence, découvert le premier matériau quantique topologique, générer une résonance mondiale dans la communauté scientifique.
Indenene–un nid d'abeilles caché
A la recherche de nouveaux matériaux topologiques, la plupart des efforts théoriques jusqu'à présent se sont concentrés sur les couches d'atomes bidimensionnelles dans un arrangement en nid d'abeille. La motivation vient du graphène, la "Drosophile" des systèmes Hall à spin quantique, ou plus simplement, une seule couche du célèbre graphite à l'intérieur de nos crayons classiques à l'ancienne. L'équipe de recherche de Würzburg a plutôt suivi une voie alternative :les physiciens théoriciens autour de Giorgio Sangiovanni ont proposé d'utiliser un réseau atomique triangulaire plus simple.
Cette idée a été mise en pratique par l'équipe expérimentale de Ralph Claessen, porte-parole de la filiale ct.qmat de Würzburg. Grâce aux techniques de pointe du faisceau moléculaire, les chercheurs ont réussi à déposer une seule couche d'atomes d'indium sous forme de réseau triangulaire sur un cristal de carbure de silicium comme support, ce qui a donné de l'indène. Grâce à ces nouvelles combinaisons de briques élémentaires et d'éléments chimiques, les électrons concernés ne se localisent pas directement sur les positions de l'indium mais préfèrent occuper l'espace libre entre eux. Du point de vue des électrons, leur charge remplit le "négatif" du réseau triangulaire d'indium qui est en fait un réseau en nid d'abeilles caché dans les vides de la structure atomique.
Le chef de projet Giorgio Sangiovanni explique cela à travers la nature mécanique quantique des particules :« On peut décrire les électrons de l'indium comme des ondes qui s'accumulent dans les vides du réseau triangulaire où à première vue on ne s'attend pas à ce qu'ils soient. la connectivité en nid d'abeille « cachée » qui en résulte conduit à un isolant topologique particulièrement robuste, plus que du graphène."
Matériaux quantiques topologiques avec des avantages distinctifs
La conception unique des matériaux qui a conduit à la synthèse de l'indène peut améliorer l'état actuel de la technologie dans le domaine de l'électronique topologique :contrairement au graphène, L'indène n'a pas besoin d'être refroidi à des températures ultra basses pour manifester ses propriétés d'isolant topologique. Ceci est une conséquence du réseau triangulaire particulièrement simple qui permet de grands domaines structuraux, souvent un goulot d'étranglement important dans la synthèse d'autres matériaux topologiques.
"Nous avons été vraiment surpris, qu'une structure atomique aussi simple peut afficher des propriétés topologiques. C'est un atout essentiel pour la croissance réussie de films d'indène parfaits pouvant répondre aux normes exigeantes requises pour la nanofabrication de dispositifs. Par ailleurs, l'utilisation de carbure de silicium comme substrat de support nous permet de nous connecter à la technologie des semi-conducteurs établie, " dit Ralph Claessen, commenter le résultat scientifique.
Perspectives
La structure simple de l'indène représente en même temps un défi :dès que l'unique couche d'atomes d'indium entre en contact avec l'air, le matériau perd ses propriétés spéciales. Pour cette raison, les chercheurs développent actuellement une couche de recouvrement atomique qui peut protéger l'indène d'une contamination indésirable lors de sa synthèse. Une solution à ces problèmes ouvrira la voie à une utilisation à grande échelle de ces matériaux quantiques topologiques.
