Une image au microscope électronique à balayage montre des échantillons triangulaires (rouge) et rectangulaires (bleu) d'un cristal semi-métallique connu sous le nom d'arséniure de cadmium. L'échantillon rectangulaire a une épaisseur d'environ 0,8 microns (millièmes de millimètre), 3,2 microns de haut et 5 microns de long. L'échantillon triangulaire a une base mesurant environ 2,7 microns. La conception des échantillons triangulaires, fabriqué à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, s'est avéré utile pour cartographier les orbites électroniques étranges présentées par ce matériau lorsqu'il est exposé à un champ magnétique. La barre d'échelle rouge en bas à droite est de 50 microns. Crédit: La nature , 10.1038/nature18276
Les chercheurs ont créé une piste de course 3D exotique pour les électrons dans des tranches ultrafines d'un nanomatériau qu'ils ont fabriqué au laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l'Énergie (Berkeley Lab).
L'équipe internationale de scientifiques du Berkeley Lab, UC Berkeley, et l'Allemagne ont observé, pour la première fois, un comportement unique dans lequel les électrons tournent autour d'une surface, puis à travers la masse du matériau jusqu'à sa surface opposée et à l'arrière.
La possibilité de développer ce qu'on appelle la « matière topologique » qui peut transporter du courant électrique à sa surface sans perte à température ambiante a suscité un intérêt considérable dans la communauté des chercheurs. Le but ultime est d'approcher la conduction sans perte d'une autre classe de matériaux, appelés supraconducteurs, mais sans besoin de l'extrême, températures de congélation requises par les supraconducteurs.
"Les puces perdent tellement d'énergie par dissipation de chaleur que c'est un facteur limitant, " dit James Analytis, un scientifique du Berkeley Lab et professeur adjoint de physique à l'UC Berkeley qui a dirigé l'étude, Publié dans La nature . "Plus ils deviennent petits, plus ils chauffent."
Le matériel étudié, un semi-métal inorganique appelé arséniure de cadmium (Cd3As2), présente des propriétés quantiques - qui ne sont pas expliquées par les lois classiques de la physique - qui offrent une nouvelle approche pour réduire l'énergie gaspillée dans les micropuces. En 2014, les scientifiques ont découvert que l'arséniure de cadmium partage certaines propriétés électroniques avec le graphène, un matériau d'un seul atome d'épaisseur également destiné aux composants informatiques de nouvelle génération, mais sous une forme 3-D.
"Ce qui est excitant avec ces phénomènes, c'est que, en théorie, ils ne sont pas affectés par la température, et le fait qu'ils existent en trois dimensions facilite peut-être la fabrication de nouveaux dispositifs, ", a déclaré Analytis.
Les échantillons d'arséniure de cadmium présentaient une propriété quantique connue sous le nom de "chiralité" qui couple la propriété fondamentale de spin d'un électron à sa quantité de mouvement, lui donnant essentiellement des traits gauchers ou droitiers. L'expérience a fourni une première étape vers l'objectif d'utiliser la chiralité pour transporter la charge et l'énergie à travers un matériau sans perte.
Dans l'expérience, les chercheurs ont fabriqué et étudié comment le courant électrique se déplace dans des tranches d'un cristal d'arsenic de cadmium d'à peine 150 nanomètres d'épaisseur, ou environ 600 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain, lorsqu'il est soumis à un champ magnétique élevé.
Un monocristal d'arséniure de cadmium. Monocristaux de ce matériau, connu sous le nom de « semi-métal de Dirac, » ont été découpés pour former des tranches nanométriques. Les tranches, lorsqu'il est exposé à un champ magnétique, a fait preuve d'une étrangeté, chemin des électrons en rond-point. Le matériau pourrait aider les scientifiques à percer les secrets d'une classe de matériaux qui pourraient être utilisés dans l'électronique de nouvelle génération. Crédit: La nature , 10.1038/nature18276
Les échantillons de cristal ont été fabriqués à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, qui se concentre sur la construction et l'étude de matériaux à l'échelle nanométrique, et leur structure 3-D a été détaillée à l'aide de rayons X à la source lumineuse avancée de Berkeley Lab.
De nombreux mystères subsistent sur les propriétés exotiques du matériau étudié, et comme prochaine étape, les chercheurs recherchent d'autres techniques de fabrication pour construire un matériau similaire avec des propriétés magnétiques intégrées, donc aucun champ magnétique externe n'est requis.
"Ce n'est pas le bon matériau pour une application, mais il nous dit que nous sommes sur la bonne voie, ", a déclaré Analytis.
Si les chercheurs réussissent leurs modifications, un tel matériau pourrait éventuellement être utilisé pour construire des interconnexions entre plusieurs puces informatiques, par exemple, pour les ordinateurs de nouvelle génération qui s'appuient sur le spin d'un électron pour traiter les données (appelé « spintronique »), et pour la construction de dispositifs thermoélectriques qui convertissent la chaleur perdue en courant électrique.
Au début, il n'était pas clair si l'équipe de recherche serait même capable de fabriquer un échantillon suffisamment pur à l'échelle minuscule requise pour mener à bien l'expérience, dit Analytis.
"Nous voulions mesurer les états de surface des électrons dans le matériau. Mais ce matériau 3D conduit également l'électricité dans la masse - c'est la région centrale - ainsi qu'à la surface, " a-t-il dit. En conséquence, lorsque vous mesurez le courant électrique, le signal est submergé par ce qui se passe dans la masse, donc vous ne voyez jamais la contribution de surface."
Ils ont donc réduit l'échantillon du millionième de mètre à l'échelle nanométrique pour leur donner plus de surface et s'assurer que le signal de surface serait le signal dominant dans une expérience.
"Nous avons décidé de le faire en façonnant des échantillons en structures plus petites à l'aide d'un faisceau focalisé de particules chargées, ", a-t-il déclaré. "Mais ce faisceau d'ions est connu pour être un moyen approximatif de traiter le matériau - il est généralement intrinsèquement dommageable pour les surfaces, et nous pensions que cela n'allait jamais fonctionner."
Cette image, réalisé par un microscope électronique à balayage, montre trois feuilles d'un matériau cristallin appelé arséniure de cadmium. Les feuilles rectangulaires finement polies (violet) ont été découpées dans le même cristal en différentes épaisseurs. Ils mesurent environ 4 microns (millièmes de millimètre) de haut sur 10 microns de large. Crédit: La nature , 10.1038/nature18276
Mais Philip J.W. Molle, maintenant à l'Institut Max Planck de physique chimique des solides en Allemagne, trouvé un moyen de minimiser ces dommages et de fournir des surfaces finement polies dans les minuscules tranches à l'aide d'outils de la fonderie moléculaire. "Couper quelque chose et en même temps ne pas l'endommager sont des opposés naturels. Notre équipe a dû pousser la fabrication du faisceau d'ions à ses limites de faible énergie et de focalisation étroite du faisceau pour rendre cela possible."
Lorsque les chercheurs ont appliqué un courant électrique aux échantillons, ils ont découvert que les électrons tournent en rond de la même manière qu'ils tournent autour du noyau d'un atome, mais leur chemin traverse à la fois la surface et la masse du matériau.
Le champ magnétique appliqué pousse les électrons autour de la surface. Lorsqu'ils atteignent la même énergie et la même quantité de mouvement que les électrons en vrac, ils sont attirés par la chiralité de la masse et poussés vers l'autre surface, répéter ce chemin étrangement sinueux jusqu'à ce qu'ils soient dispersés par des défauts matériels.
L'expérience représente un mariage réussi d'approches théoriques avec les bons matériaux et techniques, dit Analytis.
"Cela avait été théorisé par Andrew Potter de notre équipe et ses collègues, et notre expérience marque la première fois qu'elle a été observée, " Analytis a dit. " C'est très inhabituel - il n'y a pas de phénomènes analogues dans aucun autre système. Les deux surfaces du matériau se "parlent" sur de grandes distances en raison de leur nature chirale."
"Nous avions prédit ce comportement comme moyen de mesurer les propriétés inhabituelles attendues dans ces matériaux, et c'était très excitant de voir ces idées prendre vie dans de vrais systèmes expérimentaux, " dit Potter, professeur adjoint de physique à l'Université du Texas à Austin. "Philip et ses collaborateurs ont fait de grandes innovations pour produire des échantillons extrêmement fins et de haute qualité, qui a vraiment rendu ces observations possibles pour la première fois."
Les chercheurs ont également appris que le désordre dans la structuration de la surface cristalline du matériau ne semble pas affecter le comportement des électrons là-bas, bien que le désordre dans le matériau central ait un impact sur le déplacement des électrons à travers le matériau d'une surface à l'autre.
Le mouvement des électrons présente un double sens, avec certains électrons voyageant autour du matériau dans une direction et d'autres en boucle dans une direction opposée.
Les chercheurs s'appuient maintenant sur ces travaux pour concevoir de nouveaux matériaux pour les études en cours, dit Analytis. "Nous utilisons des techniques normalement limitées à l'industrie des semi-conducteurs pour fabriquer des prototypes de dispositifs à partir de matériaux quantiques."
