Dans un isolant topologique, les électrons se déplacent sans entrave le long des bords de l'échantillon, quel que soit l'endroit où ils entrent ou sortent. Ils se déplacent dans une direction perpendiculaire à la direction de leur... (Image avec l'aimable autorisation de Shoucheng Zhang)
(PhysOrg.com) -- Des scientifiques de Stanford et du SLAC ont trouvé un moyen potentiel d'exploiter les propriétés étonnantes des isolants topologiques - des matériaux qui conduisent l'électricité uniquement le long de leurs surfaces - pour une utilisation dans l'électronique et d'autres applications.
Un article publié en ligne cette semaine dans Nature Nanotechnologie décrit comment ils ont combiné deux isolants topologiques connus auparavant pour en créer un nouveau qui ne transporte que des courants de surface. Ils ont ensuite fabriqué ce matériau en extrêmement mince, plaques minuscules et ont montré qu'ils pouvaient contrôler les propriétés électroniques de ces nanoplaques à l'aide d'une porte - essentiellement, un transistor qui s'ouvre et se ferme pour faire passer le matériau d'un état à un autre.
« Gating est très important pour les appareils électroniques, " a déclaré le co-auteur Yi Cui, professeur agrégé à la faculté de Stanford et du SLAC, et le contrôle des propriétés de ces nouveaux matériaux "est vraiment la base de la fabrication de futurs appareils électroniques pour le traitement de l'information".
La recherche a combiné les efforts des physiciens et des scientifiques des matériaux au SIMES, l'Institut de Stanford pour les sciences des matériaux et de l'énergie, qui est un institut conjoint du SLAC National Accelerator Laboratory et de l'Université de Stanford.
Un groupe travaillant avec le professeur associé de Stanford Ian Fisher a préparé des cristaux du nouveau composé, qui contient trois éléments – le bismuth, l'antimoine et le tellure. Un autre groupe, sous la direction du scientifique en chef du SLAC, Zhi-Xun Shen, testé diverses combinaisons des trois éléments pour voir lequel avait les meilleures propriétés électroniques, à l'aide d'instruments à la source lumineuse avancée du Lawrence Berkeley National Laboratory.
Ils ont cherché la combinaison qui permettait au courant le plus élevé de circuler à la surface du matériau et au moins de courant de circuler à l'intérieur, qui est connu comme le matériau en vrac. Ce flux intérieur interfère avec les qualités souhaitables d'un isolant topologique.
Finalement, Le groupe de Cui a formé le composé en nanoplaques à six faces dont les propriétés pouvaient être contrôlées en allumant et en éteignant un courant électrique séparé; c'est la partie porte. En basculant l'interrupteur dans un sens, le composé s'est comporté comme un matériau de type n - un matériau dans lequel l'électricité est conduite par des électrons chargés négativement. Basculer l'interrupteur dans l'autre sens a transformé le composé en un matériau de type p, dans lesquels des « trous » chargés positivement transportaient le courant. Les puces électroniques d'aujourd'hui contiennent à la fois des matériaux de type p et n.
Cette étude est parmi les premières à démontrer clairement qu'il est possible d'utiliser une porte pour basculer l'ensemble du matériau isolant topologique entre ces deux états.
« C’est en fait très important pour tout type de matériel électronique, " a déclaré Desheng Kong, un étudiant diplômé de quatrième année dans le laboratoire de Cui, qui est le premier auteur du rapport. « Vous voulez non seulement les comprendre, mais pour contrôler leurs propriétés.
Le fait que les propriétés du matériau puissent être ajustées en appliquant un courant de grille signifie également que vous n'avez pas besoin de commencer avec un matériau parfait pour obtenir de bonnes performances, a ajouté Yulin Chen, scientifique du SLAC, le deuxième auteur du rapport. "C'est chouette, " a-t-il dit. « Et bien sûr, à long terme, les gens continueront à rendre les matériaux de mieux en mieux.
De nouveaux dispositifs sont désespérément nécessaires car l'utilité de la technologie des semi-conducteurs d'aujourd'hui touche à sa fin, a déclaré le Pr. Shoucheng Zhang du SIMES, qui n'a pas participé à cette étude.
Il a déclaré que l'un des plus grands obstacles à la poursuite de la loi de Moore - l'idée que le nombre de transistors pouvant être pressés sur un circuit intégré doublera tous les 18 mois - est que les électrons se déplaçant à l'intérieur des puces d'aujourd'hui se dissipent trop Chauffer. « En fait, vous sentez que lorsque vous mettez votre ordinateur portable sur vos genoux, " a-t-il dit. "Ce n'est pas seulement ennuyeux, mais une puce ne fonctionne plus, à une certaine vitesse, ” quand il fait trop chaud.
"C'est devenu un problème tellement fondamental que beaucoup de gens pensent que la seule façon de le résoudre est de changer l'architecture fondamentale et le principe de fonctionnement de la puce, " Zhang a dit, "et c'est un terrain de jeu pour les physiciens."
L'avantage potentiel de l'utilisation d'isolants topologiques pour transporter des courants dans les puces est que les électrons se déplaçant le long de la surface mince du matériau le font avec une grande efficacité et génèrent très peu de chaleur. Ce n'est pas seulement la minceur de la surface qui joue un rôle; c'est le fait que ces électrons présentent quelque chose appelé "effet Hall de spin quantique, " l'une des réalisations effrayantes de la mécanique quantique. Contrairement aux électrons dans les matériaux conventionnels, chaque électron dans un isolant topologique se déplace dans une direction perpendiculaire à son spin.
L'effet net est que les électrons circulent en douceur dans la même direction sans résistance, contournant calmement les obstacles - tels que les contaminants accidentels ou les défauts du matériau - plutôt que de se heurter et de virer dans toutes les directions. Comme Zhang l'explique, c'est la différence entre une Ferrari roulant à toute vitesse sur un marché bondé et la même voiture roulant sur une autoroute.
L'excitation entourant les isolants topologiques ne se limite pas à leur utilité potentielle dans les dispositifs électroniques. Ils pourraient également donner aux scientifiques un aperçu d'une grande variété de phénomènes exotiques, y compris des particules hypothétiques appelées axions, ce qui pourrait aider à expliquer la matière noire, et les monopôles magnétiques.
C'est Zhang qui, en 2006, a contribué à déclencher une course folle pour étudier les isolants topologiques en prédisant qu'un alliage de mercure et de tellure se comporterait comme un seul. Dans l'année, un groupe en Allemagne a fabriqué ce composé et a montré qu'il fonctionnait effectivement, mais seulement à très basse température. En 2009, Chen, Shen, Fisher et leurs collègues ont prouvé que le tellurure de bismuth – un produit moins cher, matériau plus abondant et plus maniable – est un isolant topologique à température ambiante, et le terrain a vraiment décollé.
Le dernier résultat est « une étape importante, " Zhang a dit, dans l'effort mondial de nombreux groupes de scientifiques pour exploiter les propriétés de ces nouveaux matériaux.
