Les chercheurs ont créé des nanorubans d'une classe émergente de matériaux appelés isolants topologiques et ont utilisé un champ magnétique pour contrôler leurs propriétés semi-conductrices, une étape vers l'exploitation de la technologie pour étudier la physique exotique et la construction de nouveaux dispositifs spintroniques ou ordinateurs quantiques.

Contrairement aux matériaux ordinaires qui sont soit des isolants, soit des conducteurs, les isolants topologiques sont paradoxalement les deux à la fois - ils sont isolants à l'intérieur mais conduisent l'électricité en surface, dit Yong P. Chen, un professeur agrégé de physique et d'astronomie et de génie électrique et informatique de l'Université Purdue qui a travaillé avec le doctorant Luis A. Jauregui et d'autres chercheurs.

Les matériaux pourraient être utilisés pour des dispositifs « spintroniques » et des ordinateurs quantiques pratiques bien plus puissants que les technologies d'aujourd'hui. Dans les nouvelles découvertes, les chercheurs ont utilisé un champ magnétique pour induire un "mode hélicoïdal" d'électrons, une capacité qui pourrait permettre de contrôler l'état de spin des électrons.

Les résultats sont détaillés dans un document de recherche paru dans la publication en ligne anticipée de la revue Nature Nanotechnologie le 18 janvier et a montré qu'un champ magnétique peut être utilisé pour amener les nanorubans à subir une "transition topologique, " basculer entre un matériau possédant une bande interdite en surface et un autre qui n'en possède pas.

"Le silicium est un semi-conducteur, ce qui signifie qu'il a une bande interdite, un trait qui est nécessaire pour allumer et éteindre la conduction, la base des transistors numériques à base de silicium pour stocker et traiter des informations en code binaire, " dit Chen. " Le cuivre est un métal, ce qui signifie qu'il n'a pas de bande interdite et qu'il est toujours un bon conducteur. Dans les deux cas, la présence ou l'absence d'une bande interdite est une propriété fixe. Ce qui est étrange à propos de la surface de ces matériaux, c'est que vous pouvez contrôler s'il y a une bande interdite ou non simplement en appliquant un champ magnétique, donc c'est un peu accordable, et cette transition est périodique dans le champ magnétique, vous pouvez donc le conduire à travers de nombreux états « vides » et « sans lacunes ».

Les nanorubans sont en tellurure de bismuth, le matériau derrière les technologies de refroidissement à semi-conducteurs telles que les réfrigérateurs thermoélectriques commerciaux.

"Le tellurure de bismuth est le matériau de pointe du refroidissement thermoélectrique depuis des décennies, mais juste au cours des dernières années, les gens ont découvert que ce matériau et les matériaux connexes ont cette propriété supplémentaire étonnante d'être des isolants topologiques, " il a dit.

Le document a été rédigé par Jauregui; Michael T. Pettes, un ancien chercheur postdoctoral à l'Université du Texas à Austin et maintenant professeur adjoint au Département de génie mécanique de l'Université du Connecticut; Leonid P. Rokhinson, un professeur Purdue de physique et d'astronomie et de génie électrique et informatique; Li Shi, Professeur titulaire BF Goodrich en génie des matériaux à l'Université du Texas à Austin; et Chen

Une découverte clé a été que les chercheurs ont documenté l'utilisation de nanorubans pour mesurer les oscillations dites Aharonov-Bohm, ce qui est possible en conduisant des électrons dans des directions opposées dans des chemins en forme d'anneau autour des nanorubans. La structure du nanoruban - un nanofil qui est topologiquement identique à un cylindre - est la clé de la découverte car elle permet l'étude des électrons lorsqu'ils se déplacent dans une direction circulaire autour du ruban. Les électrons ne conduisent qu'à la surface des nanofils, traçant une circulation cylindrique.

"Si vous laissez les électrons voyager dans deux chemins autour d'un anneau, dans les chemins de gauche et de droite, et ils se rencontrent à l'autre extrémité de l'anneau alors ils vont interférer soit de manière constructive soit de manière destructive en fonction de la différence de phase créée par un champ magnétique, résultant en une conductivité élevée ou faible, respectivement, montrant la nature quantique des électrons se comportant comme des ondes, " dit Jauregui.

Les chercheurs ont démontré une nouvelle variation de cette oscillation dans les surfaces topologiques des isolants en induisant le mode hélicoïdal de spin des électrons. Le résultat est la possibilité de passer d'une interférence constructive à une interférence destructive et inversement.

"Cela fournit une preuve très définitive que nous mesurons les électrons hélicoïdaux de spin, " a déclaré Jauregui. "Nous mesurons ces états de surface topologiques. Cet effet n'a vraiment pas été vu de manière très convaincante jusqu'à récemment, alors maintenant, cette expérience fournit vraiment une preuve claire que nous parlons de ces électrons hélicoïdaux de spin se propageant sur le cylindre, c'est donc un aspect de cette oscillation."

Les résultats ont également montré cette oscillation en fonction de « la tension de grille, " représentant une autre façon de passer de la conduction haute à basse.

"Le changement se produit chaque fois que la circonférence du nanoruban contient juste un nombre entier de la longueur d'onde de la mécanique quantique, ou 'longueur d'onde de fermi, ' qui est accordé par la tension de grille des électrons enroulés autour de la surface, " dit Chen.

C'était la première fois que les chercheurs voyaient ce type d'oscillation dépendante de la grille dans les nanorubans et la corrélaient davantage à la structure de bande isolante topologique du tellurure de bismuth.

On dit que les nanorubans possèdent « une protection topologique, " empêchant les électrons en surface de se rétrodiffuser et permettant une conductivité élevée, une qualité introuvable dans les métaux et les semi-conducteurs conventionnels. Ils ont été fabriqués par des chercheurs de l'UT Austin.

Les mesures ont été effectuées alors que les nanorubans étaient refroidis à environ moins 273 degrés Celsius (presque moins 460 degrés Fahrenheit).

"Nous devons opérer à basse température pour observer la nature mécanique quantique des électrons, " dit Chen.

Les recherches futures comprendront des travaux visant à approfondir l'étude des nanofils en tant que plate-forme pour étudier la physique exotique nécessaire aux calculs quantiques topologiques. Les chercheurs viseront à connecter les nanofils avec des supraconducteurs, qui conduisent l'électricité sans résistance, pour les dispositifs topologiques hybrides isolant-supraconducteurs. En combinant davantage d'isolants topologiques avec un supraconducteur, les chercheurs pourraient être en mesure de construire un ordinateur quantique pratique qui est moins sensible aux impuretés et aux perturbations environnementales qui ont présenté des défis jusqu'à présent. Une telle technologie effectuerait des calculs en utilisant les lois de la mécanique quantique, rendant les ordinateurs beaucoup plus rapides que les ordinateurs conventionnels pour certaines tâches telles que les recherches dans les bases de données et la rupture de code.