Dans les années récentes, les isolants topologiques sont devenus l'un des sujets les plus brûlants de la physique. Ces nouveaux matériaux agissent à la fois comme isolants et conducteurs, avec leur intérieur empêchant la circulation des courants électriques tandis que leurs bords ou surfaces permettent le mouvement d'une charge.
Peut-être le plus important, les surfaces des isolants topologiques permettent le transport d'électrons polarisés en spin tout en évitant la "diffusion" typiquement associée à la consommation d'énergie, dans laquelle les électrons dévient de leur trajectoire, entraînant une dissipation.
En raison de telles caractéristiques, ces matériaux ont un grand potentiel d'utilisation dans les futurs transistors, dispositifs de mémoire et capteurs magnétiques qui sont très économes en énergie et nécessitent moins d'énergie.
Dans une étude publiée aujourd'hui dans Nature Nanotechnologie , des chercheurs de la Henry Samueli School of Engineering and Applied Science de l'UCLA et de la division des matériaux de l'Université australienne du Queensland montrent la promesse de canaux de conduction de surface dans des nanorubans isolants topologiques en tellurure de bismuth et démontrent que les états de surface de ces nanorubans sont « ajustables » — pouvant être allumé et éteint en fonction de la position du niveau de Fermi.
"Notre découverte permet une variété d'opportunités dans la construction de nouvelles générations potentielles, dispositifs nanoélectroniques et spintroniques à faible dissipation, de la détection magnétique au stockage, " a déclaré Kang L. Wang, le professeur Raytheon de génie électrique à UCLA Engineering, dont l'équipe a effectué les recherches.
Le tellurure de bismuth est bien connu en tant que matériau thermoélectrique et a également été prédit comme un isolant topologique tridimensionnel avec des états de surface robustes et uniques. Des expériences récentes avec des matériaux en vrac de tellurure de bismuth ont également suggéré des canaux de conduction bidimensionnels provenant des états de surface. Mais cela a été un grand défi de modifier la conduction de surface, en raison de la contribution dominante en masse due aux impuretés et aux excitations thermiques dans ces semi-conducteurs à faible bande interdite.
Le développement de nanorubans isolants topologiques a aidé. Avec leurs grands rapports surface/volume, ces nanorubans améliorent considérablement les conditions de surface et permettent une manipulation de surface par des moyens externes.
Wang et son équipe ont utilisé de minces nanorubans de tellurure de bismuth comme canaux conducteurs dans des structures de transistors à effet de champ. Ceux-ci reposent sur un champ électrique pour contrôler le niveau de Fermi et donc la conductivité d'un canal. Les chercheurs ont pu démontrer pour la première fois la possibilité de contrôler les états de surface dans des nanostructures topologiques d'isolant.
"Nous avons démontré une conduction de surface claire en supprimant partiellement la conduction en vrac à l'aide d'un champ électrique externe, " a déclaré Faxian Xiu, un associé de recherche du personnel de l'UCLA et auteur principal de l'étude. "En réglant correctement la tension de grille, une conduction de surface très élevée a été obtenue, jusqu'à 51 pour cent, qui représente les valeurs les plus élevées dans les isolants topologiques."
"Cette recherche est très excitante en raison de la possibilité de construire des nanodispositifs avec un nouveau principe de fonctionnement, " dit Wang, qui est également directeur associé du California NanoSystems Institute (CNSI) à l'UCLA. "Très similaire au développement du graphène, les isolants topologiques pourraient être transformés en transistors à grande vitesse et en capteurs à ultra-haute sensibilité. »
Les nouvelles découvertes mettent en lumière la contrôlabilité des états de spin de surface dans les nanorubans isolants topologiques et démontrent des progrès significatifs vers des conditions électriques de surface élevées pour des applications pratiques de dispositifs. La prochaine étape pour l'équipe de Wang est de produire des appareils à grande vitesse basés sur leur découverte.
« Le scénario idéal est d'atteindre une conduction de surface à 100 % avec un état isolant complet dans la masse, " dit Xiu. " Sur la base des travaux en cours, nous ciblons des transistors hautes performances avec une consommation d'énergie bien inférieure à la technologie conventionnelle des semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS) utilisée généralement dans l'électronique d'aujourd'hui."
Collaborateurs à l'étude Jin Zou, professeur d'ingénierie des matériaux à l'Université du Queensland; Yong Wang, un boursier international du Queensland ; et l'équipe de Zou à la division des matériaux de l'Université du Queensland ont contribué de manière significative à ce travail. Une partie de la recherche a également été effectuée dans le laboratoire d'Alexandros Shailos à l'UCLA.
