Les chercheurs ont découvert que le matériau topologique bismuthide trisodique (Na 3 Bi) peut être fabriqué pour être aussi « électroniquement fluide » que l'alternative à base de graphène de la plus haute qualité, tout en maintenant la mobilité électronique élevée du graphène.

N / A 3 Bi est un semi-métal de Dirac topologique (TDS), considéré comme un équivalent 3D du graphène en ce qu'il montre la même mobilité électronique extraordinairement élevée.

Dans le graphène, comme dans une TDS, les électrons se déplacent à vitesse constante, indépendant de leur énergie.

Cette mobilité élevée des électrons est hautement souhaitable dans les matériaux étudiés pour l'électronique à commutation rapide. Le flux d'électrons dans le graphène peut être, théoriquement, 100 fois plus rapide que dans le silicium.

Cependant, dans la pratique, la remarquable mobilité électronique du graphène est limitée, entraîné par la nature bidimensionnelle du matériau.

Bien que le graphène lui-même puisse être extrêmement pur, il est beaucoup trop fragile pour être utilisé comme un matériau autonome, et doit être lié avec un autre matériau. Et parce que le graphène est atomiquement mince, les impuretés dans ce substrat sont capables de provoquer un désordre électronique dans le graphène.

De telles inhomogénéités microscopiques, connu sous le nom de « flaques de charge », limiter la mobilité des porteurs de charges.

En pratique, cela signifie que les dispositifs à base de graphène doivent être minutieusement construits avec une feuille de graphène posée sur un matériau de substrat qui minimise un tel désordre électronique. Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est couramment utilisé à cette fin.

Mais maintenant, des chercheurs du centre de recherche australien FLEET ont découvert que le bismuthide trisodique (Na 3 Bi) cultivés dans leurs laboratoires de l'Université Monash sont aussi fluides électroniquement que le graphène/h-BN de la plus haute qualité.

C'est une réalisation importante, explique le chercheur principal, le Dr Mark Edmonds. « C'est la première fois qu'un matériau Dirac 3D est mesuré de cette manière, " dit le Dr Edmonds. " Et nous sommes ravis d'avoir trouvé un tel degré de douceur électronique dans ce matériau. "

La découverte sera cruciale pour l'avancement de l'étude de ce nouveau matériau topologique, qui pourrait avoir de larges applications en électronique. "Il est impossible de savoir combien de champs de recherche cela pourrait ouvrir, " dit le Dr Edmonds. " La même découverte dans le graphène/h-BN a déclenché des études supplémentaires considérables en 2011. "

Avec la fluidité électronique du Na3Bi désormais démontrée, un éventail d'autres possibilités de recherche s'ouvrent. Il y a eu de nombreuses études sur le flux relativiste (haute mobilité) d'électrons dans le graphène depuis sa découverte en 2004. Avec cette dernière étude, des études similaires sur Na3Bi peuvent être attendues.

N / A 3 Bi offre un certain nombre d'avantages intéressants par rapport au graphène.

En plus d'éviter les méthodes de construction difficiles impliquées dans les dispositifs bicouche graphène/h-BN, N / A 3 Bi peut être cultivé à une échelle millimétrique ou plus grande. Actuellement, le graphène-h-BN est limité à quelques micromètres seulement.

Un autre avantage important est la possibilité d'utiliser Na 3 Bi en tant que canal conducteur dans une nouvelle génération de transistors, basée sur la science des isolants topologiques. L'étude a été publiée dans Avancées scientifiques en décembre 2017.

Prochaines étapes &transistors topologiques

"La découverte de la fluidité électronique, les couches minces de TDS sont une étape importante vers les transistors topologiques commutables, " déclare le directeur de FLEET, le professeur Michael Fuhrer.

"Le graphène est un chef d'orchestre fantastique, mais il ne peut pas être "éteint", ou contrôlé, " dit le professeur Fuhrer. " Les matériaux topologiques, comme Na 3 Bi, peut être commuté d'un isolant conventionnel à un isolant topologique par l'application d'une tension ou d'un champ magnétique."

Les isolants topologiques sont de nouveaux matériaux qui se comportent comme des isolants électriques à l'intérieur, mais peuvent transporter un courant le long de leurs bords. Contrairement à un chemin électrique conventionnel, de tels chemins de bord topologiques peuvent transporter un courant électrique avec une dissipation d'énergie proche de zéro, ce qui signifie que les transistors topologiques peuvent commuter sans brûler d'énergie.

Les matériaux topologiques ont été récompensés l'année dernière par le prix Nobel de physique.

Les transistors topologiques "commuteraient", tout comme un transistor traditionnel. L'application d'un potentiel de grille commuterait les chemins de bord dans un Na 3 Bi canal entre être un isolant topologique ('on') et un isolant conventionnel ('off').

Vue d'ensemble :utilisation de l'énergie dans le calcul

Le défi majeur est la quantité croissante d'énergie utilisée dans le calcul et les technologies de l'information (TI).

Chaque fois qu'un transistor commute, une infime quantité d'énergie est brûlée, et avec des milliards de transistors commutant des milliards de fois par seconde, cette énergie s'additionne. Déjà, l'énergie brûlée dans le calcul représente 5 % de la consommation mondiale d'électricité, et il double chaque décennie.

Pendant de nombreuses années, les besoins énergétiques d'un nombre de calculs en croissance exponentielle ont été maîtrisés par des technologies toujours plus efficaces, et des puces informatiques de plus en plus compactes - un effet lié à la loi de Moore. Mais à mesure que les limites de la physique fondamentale sont approchées, La loi de Moore se termine, et il y a des gains d'efficacité futurs limités à trouver.

"Pour que le calcul continue de croître, pour suivre l'évolution des demandes, nous avons besoin d'une électronique plus efficace, ", explique le professeur Michael Fuhrer. "Nous avons besoin d'un nouveau type de transistor qui consomme moins d'énergie lorsqu'il commute."

"Cette découverte pourrait être un pas dans la direction des transistors topologiques qui transforment le monde du calcul."

L'étude est publiée dans Avancées scientifiques .