Les chercheurs de l'Université de Pennsylvanie sont maintenant parmi les premiers à produire un seul, couche de trois atomes d'un matériau bidimensionnel unique appelé ditellurure de tungstène. Leurs conclusions ont été publiées dans Matériaux 2D .

Contrairement à d'autres matériaux bidimensionnels, les scientifiques pensent que le ditellurure de tungstène possède ce qu'on appelle des états électroniques topologiques. Cela signifie qu'il peut avoir de nombreuses propriétés différentes et non une seule.

Quand on pense aux matériaux bidimensionnels, le graphène est probablement le premier qui me vient à l'esprit.

Le bien emballé, La feuille de carbone atomiquement mince produite pour la première fois en 2004 a inspiré d'innombrables voies de recherche qui pourraient tout révolutionner, de la technologie à l'eau potable.

L'une des propriétés les plus importantes du graphène est qu'il s'agit d'un semi-conducteur à bande interdite nulle, car il peut se comporter à la fois comme un métal et un semi-conducteur.

Mais il y a des tonnes d'autres propriétés que les matériaux 2D peuvent avoir. Certains peuvent isoler, d'autres peuvent émettre de la lumière et d'autres encore peuvent être spintroniques, ce qui signifie qu'ils ont des propriétés magnétiques.

"Le graphène n'est que du graphène, " a déclaré A.T. Charlie Johnson, professeur de physique à la Penn's School of Arts &Sciences. "Il fait exactement ce que fait le graphène. Si vous voulez avoir des systèmes fonctionnels basés sur des matériaux 2D, alors vous voulez des matériaux 2D qui ont toutes les différentes propriétés physiques que nous connaissons."

La capacité des matériaux 2-D à avoir des états électroniques topologiques est un phénomène qui a été lancé par Charles Kane, Christopher H. Browne Distinguished Professor of Physics à Penn.

Dans cette nouvelle recherche, Johnson, le professeur de physique James Kikkawa et les étudiants diplômés Carl Naylor et William Parkin ont pu produire et mesurer les propriétés d'une seule couche de ditellurure de tungstène.

"Parce que le ditellurure de tungstène a une épaisseur de trois atomes, les atomes peuvent être disposés de différentes manières, " a déclaré Johnson. " Ces trois atomes peuvent prendre des configurations légèrement différentes les uns par rapport aux autres. Une configuration est prévue pour donner ces propriétés topologiques."

Marija Drndi ?, le professeur de physique Fay R. et Eugene L. Langberg; Andrew Rappé, le professeur Blanchard de chimie et professeur de science et génie des matériaux à la Faculté des sciences de l'ingénieur et des sciences appliquées, et Robert Carpick, le professeur John Henry Towne et président du département de génie mécanique et de mécanique appliquée, également contribué à la recherche.

"C'est vraiment un produit Penn, " a déclaré Johnson. "Nous collaborons avec plusieurs autres membres du corps professoral qui étudient le matériel à leur manière, et nous avons tout rassemblé pour publier un article. Tout le monde vient pour la balade."

Les chercheurs ont réussi à faire pousser ce matériau à l'aide d'un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur. A l'aide d'un four à tube chaud, ils ont chauffé une puce contenant du tungstène à la bonne température puis ont introduit une vapeur contenant du tellure.

"Par chance et en trouvant exactement les bonnes conditions, ces éléments vont réagir chimiquement et se combiner pour former une monocouche, ou des régions de trois atomes d'épaisseur de ce matériau, " a déclaré Johnson.

Bien que ce matériau se dégrade extrêmement rapidement dans l'air, Naylor, le premier auteur de l'article, trouvé des moyens de protéger le matériel afin qu'il puisse être étudié avant qu'il ne soit détruit.

Une chose que les chercheurs ont découverte est que le matériau se développe en petits cristallites rectangulaires, plutôt que les triangles dans lesquels poussent d'autres matériaux.

"Cela reflète la symétrie rectangulaire du matériau, ", a déclaré Johnson. "Ils ont une structure différente, ils ont donc tendance à se développer sous différentes formes."

Bien que la recherche en soit encore à ses débuts et que les chercheurs n'aient pas encore été en mesure de produire un film continu, ils espèrent mener des expériences pour montrer qu'il possède les propriétés électroniques topologiques qui sont prédites.

Une propriété de ces systèmes topologiques est que tout courant traversant le matériau ne serait transporté que sur les bords, et aucun courant ne traverserait le centre du matériau. Si les chercheurs étaient capables de produire des matériaux monocouches épais avec cette propriété, ils peuvent être capables d'acheminer un signal électrique pour qu'il se déclenche à différents endroits.

La capacité de ce matériau à avoir de multiples propriétés pourrait également avoir des implications en informatique quantique, qui exploite la puissance des atomes et des phénomènes subatomiques pour effectuer des calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs actuels. Ces matériaux 2D pourraient permettre une forme intrinsèquement tolérante aux erreurs d'informatique quantique appelée informatique quantique à protection topologique, qui nécessite à la fois des matériaux semi-conducteurs et supraconducteurs.

"Avec ces matériaux 2D, vous voulez réaliser autant de propriétés physiques que possible, " a déclaré Johnson. " Les états électroniques topologiques sont intéressants et ils sont nouveaux et donc beaucoup de gens ont essayé de les réaliser dans un matériau 2-D. Nous avons créé le matériel là où ils devraient se produire, donc en ce sens, nous nous sommes dirigés vers ce très grand objectif sur le terrain. »