Une avancée significative a été réalisée par les physiciens quantiques de Dresde et de Würzburg. Ils ont créé un dispositif semi-conducteur dont la robustesse et la sensibilité exceptionnelles sont assurées par un phénomène quantique. Cet effet de peau topologique protège la fonctionnalité de l'appareil des perturbations externes, permettant ainsi des mesures d'une précision sans précédent.
Cette avancée remarquable résulte de l’astucieuse disposition des contacts sur le matériau aluminium-gallium-arséniure. Il libère le potentiel des modules quantiques de haute précision en physique topologique, plaçant ces matériaux au centre de l'attention de l'industrie des semi-conducteurs. Ces résultats, publiés dans Nature Physics , marque une étape majeure.
Les dispositifs semi-conducteurs sont de minuscules composants de commutation qui contrôlent le flux d'électrons dans les appareils électroniques modernes. Ils alimentent des articles de haute technologie omniprésents comme les téléphones portables, les ordinateurs portables et les capteurs de voiture, ainsi que des équipements médicaux de pointe. Cependant, les impuretés des matériaux ou les changements de température peuvent perturber le flux d'électrons, entraînant une instabilité.
Mais maintenant, des physiciens théoriciens et expérimentaux du pôle d'excellence Würzburg-Dresde ct.qmat — Complexité et topologie dans la matière quantique ont développé un dispositif semi-conducteur à partir d'arséniure d'aluminium-gallium (AlGaAs). Le flux électronique de cet appareil, généralement sensible aux interférences, est sauvegardé par un phénomène quantique topologique.
"Grâce à l'effet de peau topologique, tous les courants entre les différents contacts du semi-conducteur quantique ne sont pas affectés par les impuretés ou autres perturbations externes. Cela rend les dispositifs topologiques de plus en plus attrayants pour l'industrie des semi-conducteurs. Ils éliminent le besoin de niveaux extrêmement élevés de pureté des matériaux qui font actuellement grimper les coûts de fabrication de l'électronique", explique le professeur Jeroen van den Brink, directeur de l'Institut de physique théorique du solide à l'Institut Leibniz pour la recherche sur le solide et les matériaux à Dresde (IFW) et chercheur principal du ct .qmat.
Les matériaux quantiques topologiques, connus pour leur robustesse exceptionnelle, sont parfaitement adaptés aux applications gourmandes en énergie. "Notre semi-conducteur quantique est à la fois stable et très précis, une combinaison rare. Cela positionne notre dispositif topologique comme une nouvelle option passionnante dans l'ingénierie des capteurs."
L’utilisation de l’effet de peau topologique permet de créer de nouveaux types de dispositifs quantiques électroniques hautes performances qui pourraient également être incroyablement petits. "Notre dispositif quantique topologique mesure environ 0,1 millimètre de diamètre et peut être encore réduit facilement", explique van den Brink.
L'aspect pionnier de la réussite de l'équipe de physiciens de Dresde et de Würzburg réside dans le fait qu'ils ont été les premiers à réaliser l'effet de peau topologique à l'échelle microscopique dans un matériau semi-conducteur. Ce phénomène quantique a été initialement démontré à un niveau macroscopique il y a trois ans, mais uniquement dans un métamatériau artificiel et non naturel. C'est donc la première fois qu'un minuscule dispositif quantique topologique basé sur des semi-conducteurs, à la fois très robuste et ultra-sensible, est développé.
"Dans notre dispositif quantique, la relation courant-tension est protégée par l'effet de peau topologique car les électrons sont confinés au bord. Même en cas d'impuretés dans le matériau semi-conducteur, le flux de courant reste stable", explique van den Brink.
"De plus, les contacts peuvent détecter les moindres fluctuations de courant ou de tension. Cela rend le dispositif quantique topologique exceptionnellement bien adapté à la fabrication de capteurs et d'amplificateurs de haute précision avec des diamètres minuscules."
Le succès a été obtenu en disposant de manière créative les matériaux et les contacts sur un dispositif semi-conducteur AlGaAs, induisant l'effet topologique dans des conditions ultra-froides et un champ magnétique puissant. "Nous avons vraiment réussi à extraire l'effet de peau topologique de l'appareil", explique van den Brink.
L’équipe de physique a utilisé une structure semi-conductrice bidimensionnelle. Les contacts ont été disposés de telle manière que la résistance électrique puisse être mesurée au niveau des bords de contact, révélant directement l'effet topologique.
Depuis 2019, ct.qmat étudie les matériaux quantiques topologiques à Würzburg et Dresde, explorant leur comportement extraordinaire dans des conditions extrêmes telles que des températures ultra-basses, des pressions élevées ou des champs magnétiques puissants.
Cette récente avancée est également le résultat d'une collaboration soutenue entre les scientifiques des deux sites du cluster. Le nouveau dispositif quantique, conçu à l'IFW, est le fruit d'un effort conjoint impliquant des physiciens théoriciens de l'Universität Würzburg ainsi que des chercheurs théoriques et expérimentaux de Dresde. Après avoir été produit en France, l'appareil a été testé à Dresde. Jeroen van den Brink et ses collègues se consacrent désormais à explorer davantage ce phénomène, dans le but de l'exploiter pour de futures innovations technologiques.
Plus d'informations : Kyrylo Ochkan et al, Topologie non hermitienne dans un dispositif Hall quantique multi-terminal, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-023-02337-4
Informations sur le journal : Physique de la nature
Fourni par Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat
