Graphène, une couche de carbone d'un seul atome d'épaisseur, a engendré de nombreuses recherches sur son électronique unique, propriétés optiques et mécaniques. Maintenant, des chercheurs du MIT ont découvert un autre composé qui partage de nombreuses caractéristiques inhabituelles du graphène et, dans certains cas, possède des propriétés complémentaires intéressantes à ce matériau tant annoncé.

Le matériel, une fine pellicule de bismuth-antimoine, peut avoir une variété de caractéristiques contrôlables différentes, les chercheurs ont trouvé, en fonction de la température et de la pression ambiantes, l'épaisseur du matériau et l'orientation de sa croissance. La recherche, réalisée par le doctorant en science et ingénierie des matériaux Shuang Tang et le professeur de l'Institut Mildred Dresselhaus, apparaît dans le journal Lettres nano .

Comme le graphène, le nouveau matériau a des propriétés électroniques connues sous le nom de cônes de Dirac bidimensionnels, un terme qui fait référence au graphique en forme de cône traçant l'énergie en fonction de la quantité de mouvement pour les électrons se déplaçant à travers le matériau. Ces propriétés inhabituelles - qui permettent aux électrons de se déplacer d'une manière différente de celle possible dans la plupart des matériaux - peuvent conférer aux films de bismuth-antimoine des propriétés hautement souhaitables pour les applications de fabrication de puces électroniques de nouvelle génération ou de générateurs et refroidisseurs thermoélectriques.

Dans de tels matériaux, Tang dit, les électrons « peuvent voyager comme un faisceau de lumière, ” rendant potentiellement possibles de nouvelles puces avec des capacités de calcul beaucoup plus rapides. Le flux d'électrons peut dans certains cas être des centaines de fois plus rapide que dans les puces de silicium conventionnelles, il dit.

De la même manière, dans une application thermoélectrique - où une différence de température entre les deux côtés d'un appareil crée un flux de courant électrique - le mouvement beaucoup plus rapide des électrons, couplé à de fortes propriétés d'isolation thermique, pourrait permettre une production d'électricité beaucoup plus efficace. Cela pourrait s'avérer utile pour alimenter les satellites en exploitant la différence de température entre leurs côtés ensoleillés et ombragés, dit Tang.

De telles applications restent spéculatives à ce stade, Dresselhaus dit, car des recherches supplémentaires sont nécessaires pour analyser des propriétés supplémentaires et éventuellement tester des échantillons du matériau. Cette première analyse reposait principalement sur une modélisation théorique des propriétés du film bismuth-antimoine.

Jusqu'à la réalisation de cette analyse, Dresselhaus dit, « nous n'avons jamais pensé au bismuth » comme ayant le potentiel pour les propriétés du cône de Dirac. Mais de récentes découvertes inattendues impliquant une classe de matériaux appelés isolants topologiques suggèrent le contraire :des expériences menées par un collaborateur ukrainien ont suggéré que les propriétés du cône de Dirac pourraient être possibles dans les films bismuth-antimoine.

S'il s'avère que les films minces de bismuth-antimoine peuvent avoir des propriétés similaires à celles du graphène, changer les conditions permet également de réaliser une variété d'autres propriétés. Cela ouvre la possibilité de concevoir des appareils électroniques constitués du même matériau avec des propriétés différentes, déposé une couche sur une autre, plutôt que des couches de matériaux différents.

Les propriétés inhabituelles du matériau peuvent varier d'une direction à l'autre :les électrons se déplaçant dans une direction pourraient suivre les lois de la mécanique classique, par exemple, tandis que ceux se déplaçant dans une direction perpendiculaire obéissent à la physique relativiste. Cela pourrait permettre aux appareils de tester la physique relativiste de manière moins coûteuse et plus simple que les systèmes existants, Tang dit, bien que cela reste à démontrer par des expériences.

"Personne n'a encore fabriqué d'appareils" à partir du nouveau matériau, Dresselhaus met en garde, mais ajoute que les principes sont clairs et que l'analyse nécessaire devrait prendre moins d'un an.

« Tout peut arriver, on ne sait vraiment pas, ", dit Dresselhaus. Ces détails restent à aplanir, elle dit, ajoutant:"Beaucoup de mystères demeurent avant que nous ayons un vrai appareil."

Joseph Heremans, un professeur de physique à l'Ohio State University qui n'était pas impliqué dans cette recherche, dit que si certaines propriétés inhabituelles du bismuth sont connues depuis longtemps, « Ce qui surprend, c'est la richesse du système calculée par Tang et Dresselhaus. La beauté de cette prédiction est encore renforcée par le fait que le système est expérimentalement assez accessible.

Heremans ajoute que dans d'autres recherches sur les propriétés du matériau bismuth-antimoine, « il y aura des difficultés, et quelques-uns sont déjà connus, " mais il dit que les propriétés sont suffisamment intéressantes et prometteuses pour que " cet article devrait stimuler un grand effort expérimental ".

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.