Lors du déplacement à travers un matériau conducteur dans un champ électrique, les électrons ont tendance à suivre le chemin de moindre résistance, qui va dans la direction de ce champ.

Mais maintenant, les physiciens du MIT et de l'Université de Manchester ont découvert un comportement étonnamment différent dans des conditions très spécialisées, un comportement qui pourrait conduire à de nouveaux types de transistors et de circuits électroniques qui pourraient s'avérer très économes en énergie.

Ils ont découvert que lorsqu'une feuille de graphène - un ensemble bidimensionnel de carbone pur - est placée sur un autre matériau bidimensionnel, les électrons se déplacent plutôt latéralement, perpendiculaire au champ électrique. Cela se produit même sans l'influence d'un champ magnétique, le seul autre moyen connu d'induire un tel écoulement latéral.

Quoi de plus, deux flux séparés d'électrons circuleraient dans des directions opposées, à la fois transversalement au champ, s'annulant mutuellement pour produire un "neutre, courant sans charge, " explique Leonid Levitov, professeur de physique au MIT et auteur principal d'un article décrivant ces découvertes cette semaine dans le journal Science .

L'angle exact de ce courant par rapport au champ électrique peut être contrôlé avec précision, dit Levitov. Il le compare à un voilier naviguant perpendiculairement au vent, son angle de mouvement contrôlé en ajustant la position de la voile.

Levitov et le co-auteur Andre Geim à Manchester disent que ce flux pourrait être modifié en appliquant une tension infime sur la porte, permettant au matériau de fonctionner comme un transistor. Courants dans ces matériaux, être neutre, pourraient ne pas gaspiller une grande partie de leur énergie sous forme de chaleur, comme cela se produit dans les semi-conducteurs conventionnels, faisant potentiellement des nouveaux matériaux une base plus efficace pour les puces informatiques.

« Il est largement admis que les nouveaux, les approches non conventionnelles du traitement de l'information sont essentielles pour l'avenir du matériel, " Levitov dit. "Cette croyance a été la force motrice derrière un certain nombre de développements récents importants, en particulier la spintronique" - dans laquelle le spin des électrons, pas leur charge électrique, porte des informations.

Les chercheurs du MIT et de Manchester ont démontré un transistor simple basé sur le nouveau matériau, dit Levitov.

"C'est un effet assez fascinant, et cela touche un point très faible dans notre compréhension du complexe, les matériaux dits topologiques, " dit Geim. " Il est très rare de rencontrer un phénomène qui relie la science des matériaux, la physique des particules, relativité, et topologie."

Dans leurs expériences, Lévitov, Geim, et leurs collègues ont superposé le graphène sur une couche de nitrure de bore, un matériau bidimensionnel qui forme une structure en réseau hexagonal, comme le fait le graphène. Ensemble, les deux matériaux forment un super-réseau qui se comporte comme un semi-conducteur.

Ce super-réseau amène les électrons à acquérir une torsion inattendue - que Levitov décrit comme "un tourbillon intégré" - qui change leur direction de mouvement, autant que la rotation d'une balle peut courber sa trajectoire.

Les électrons du graphène se comportent comme des particules relativistes sans masse. L'effet observé, cependant, n'a pas d'analogue connu en physique des particules, et étend notre compréhension du fonctionnement de l'univers, disent les chercheurs.

Que cet effet puisse être exploité ou non pour réduire l'énergie utilisée par les puces informatiques reste une question ouverte, Levitov concède. C'est un premier constat, et bien qu'il soit clairement possible de réduire les pertes d'énergie pour chauffer localement, d'autres éléments d'un tel système peuvent contrebalancer ces gains. "C'est une question fascinante qui reste à résoudre, " dit Levitov.

Francisco Guinée, professeur-chercheur à l'Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid en Espagne, qui n'était pas lié à cette recherche, appelle l'approche adoptée par cette équipe "novatrice et imaginative. … La caractérisation de ces courants dans le graphène est une avancée très importante dans la compréhension des matériaux bidimensionnels."

Le travail a un grand potentiel, La Guinée ajoute, parce que « les matériaux bidimensionnels aux propriétés topologiques particulières sont à la base des nouvelles technologies pour la manipulation de l'information quantique ».

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.