Des chercheurs du MIT disent avoir effectué une analyse théorique montrant qu'une famille de matériaux bidimensionnels présente des propriétés quantiques exotiques qui pourraient permettre un nouveau type d'électronique à l'échelle nanométrique.

Ces matériaux devraient montrer un phénomène appelé effet Hall de spin quantique (QSH), et appartiennent à une classe de matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition, avec des couches de quelques atomes d'épaisseur. Les résultats sont détaillés dans un article paru cette semaine dans le journal Science , co-écrit par Xiaofeng Qian et Junwei Liu, post-doctorants du MIT; professeur adjoint de physique Liang Fu; et Ju Li, professeur de sciences et d'ingénierie nucléaires et de sciences et d'ingénierie des matériaux.

Les matériaux QSH ont la propriété inhabituelle d'être des isolants électriques dans la masse du matériau, pourtant très conducteur sur leurs bords. Cela pourrait potentiellement en faire un matériau approprié pour de nouveaux types de dispositifs électroniques quantiques, beaucoup de chercheurs croient.

Mais seuls deux matériaux aux propriétés QSH ont été synthétisés, et les applications potentielles de ces matériaux ont été entravées par deux inconvénients sérieux :leur bande interdite, une propriété essentielle pour la fabrication de transistors et autres appareils électroniques, c'est trop petit, donner un faible rapport signal sur bruit; et ils n'ont pas la capacité de s'allumer et s'éteindre rapidement. Maintenant, les chercheurs du MIT disent avoir trouvé des moyens de contourner potentiellement les deux obstacles en utilisant des matériaux 2D qui ont été explorés à d'autres fins.

Les matériaux QSH existants ne fonctionnent qu'à très basse température et dans des conditions difficiles, Fu dit, ajoutant que "les matériaux que nous prévoyons présenter cet effet sont largement accessibles. … Les effets pourraient être observés à des températures relativement élevées."

"Ce qui est découvert ici est un véritable matériau 2-D qui a cette caractéristique [QSH], " dit Li. "Les bords sont comme des fils quantiques parfaits."

Les chercheurs du MIT disent que cela pourrait conduire à de nouveaux types d'électronique quantique à faible consommation, ainsi que des dispositifs de spintronique - une sorte d'électronique dans laquelle le spin des électrons, plutôt que leur charge électrique, est utilisé pour transporter des informations.

Graphène, un bidimensionnel, forme de carbone d'une épaisseur d'un atome avec des propriétés électriques et mécaniques inhabituelles, a fait l'objet de nombreuses recherches, ce qui a conduit à d'autres recherches sur des matériaux 2D similaires. Mais jusqu'à maintenant, peu de chercheurs ont examiné ces matériaux pour d'éventuels effets QSH, dit l'équipe du MIT. « Les matériaux bidimensionnels sont un domaine très actif pour de nombreuses applications potentielles, " dit Qian - et le travail théorique de cette équipe montre maintenant qu'au moins six de ces matériaux partagent ces propriétés QSH.

Les chercheurs du MIT ont étudié des matériaux connus sous le nom de dichalcogénures de métaux de transition, une famille de composés constitués des métaux de transition molybdène ou tungstène et des non-métaux tellure, sélénium, ou de soufre. Ces composés forment naturellement des feuilles minces, juste des atomes d'épaisseur, qui peuvent développer spontanément un motif de dimérisation dans leur structure cristalline. C'est cette dimérisation du réseau qui produit les effets étudiés par l'équipe du MIT.

Alors que le nouveau travail est théorique, l'équipe a produit un design pour un nouveau type de transistor basé sur les effets calculés. Appelé transistor à effet de champ topologique, ou TFET, la conception est basée sur une seule couche du matériau 2-D pris en sandwich par deux couches de nitrure de bore 2-D. Les chercheurs disent que de tels dispositifs pourraient être produits à très haute densité sur une puce et avoir de très faibles pertes, permettant un fonctionnement à haut rendement.

En appliquant un champ électrique au matériau, l'état QSH peut être activé et désactivé, rendant possible une multitude de dispositifs électroniques et spintroniques, ils disent.

En outre, c'est l'un des matériaux connus les plus prometteurs pour une utilisation possible dans les ordinateurs quantiques, disent les chercheurs. L'informatique quantique est généralement sujette à des perturbations - techniquement, une perte de cohérence, même à partir de très petites perturbations. Mais, Li dit, les ordinateurs quantiques topologiques "ne peuvent pas perdre leur cohérence à cause de petites perturbations. C'est un gros avantage pour le traitement de l'information quantique".

Parce que tant de recherches sont déjà en cours sur ces matériaux 2D à d'autres fins, les méthodes permettant de les fabriquer efficacement peuvent être développées par d'autres groupes et pourraient ensuite être appliquées à la création de nouveaux dispositifs électroniques QSH, dit Qian.

Nai Phuan Ong, un professeur de physique à l'Université de Princeton qui n'était pas lié à ce travail, dit, "Bien que certaines des idées aient déjà été mentionnées, le système actuel semble particulièrement prometteur. Ce résultat passionnant reliera deux sous-domaines très actifs de la physique de la matière condensée, isolants topologiques et dichalcogénures."

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.