La spintronique fait référence à une suite de systèmes physiques qui pourraient un jour remplacer de nombreux systèmes électroniques. Pour réaliser ce saut générationnel, les composants matériels qui confinent les électrons dans une dimension sont très recherchés. Pour la première fois, les chercheurs ont créé un tel matériau sous la forme d'un cristal spécial à base de bismuth connu sous le nom d'isolant topologique d'ordre élevé.

Pour créer des dispositifs spintroniques, de nouveaux matériaux doivent être conçus pour tirer parti de comportements quantiques que l'on ne voit pas dans la vie de tous les jours. Vous connaissez probablement les conducteurs et les isolants, qui permettent et limitent le flux d'électrons, respectivement. Les semi-conducteurs sont courants mais moins familiers pour certains; ceux-ci isolent généralement, mais conduite dans certaines circonstances, ce qui en fait des commutateurs miniatures idéaux.

Pour les applications spintroniques, un nouveau type de matériel électronique est nécessaire et il s'appelle un isolant topologique. Il se distingue de ces trois autres matériaux par une isolation dans toute sa masse, mais conducteur seulement le long de sa surface. Et ce qu'il conduit n'est pas le flux d'électrons eux-mêmes, mais une propriété d'entre eux connue sous le nom de leur spin ou moment cinétique. Ce courant de spin, comme on le sait, pourrait ouvrir un monde d'appareils à très haute vitesse et à faible consommation.

Cependant, tous les isolants topologiques ne sont pas égaux :deux sortes, soi-disant fort et faible, ont déjà été créés, mais ont quelques inconvénients. Comme ils effectuent une rotation sur toute leur surface, les électrons présents ont tendance à se disperser, ce qui affaiblit leur capacité à véhiculer un courant de spin. Mais depuis 2017, un troisième type d'isolant topologique appelé isolant topologique d'ordre supérieur a été théorisé. Maintenant, pour la première fois, l'un a été créé par une équipe de l'Institute for Solid State Physics de l'Université de Tokyo.

"Nous avons créé un isolant topologique d'ordre supérieur en utilisant l'élément bismuth, " a déclaré le professeur agrégé Takeshi Kondo. " Il a la nouvelle capacité de pouvoir conduire un courant de spin uniquement le long de ses bords d'angle, lignes essentiellement unidimensionnelles. Comme le courant de spin est lié à une dimension au lieu de deux, les électrons ne se dispersent pas donc le courant de spin reste stable."

Pour créer ce cristal tridimensionnel, Kondo et son équipe ont empilé des tranches de cristal bidimensionnelles d'un atome d'épaisseur d'une certaine manière. Pour les isolants topologiques forts ou faibles, les tranches de cristal de la pile sont toutes orientées de la même manière, comme jouer aux cartes face cachée dans un jeu. Mais pour créer l'isolant topologique d'ordre supérieur, l'orientation des tranches a été alternée, les cartes à jouer métaphoriques étaient tournées vers le haut puis vers le bas à plusieurs reprises tout au long de la pile. Ce changement subtil d'arrangement modifie considérablement le comportement du cristal tridimensionnel résultant.

Les couches de cristal de l'empilement sont maintenues ensemble par une force de mécanique quantique appelée force de van der Waals. C'est l'un des rares types de phénomènes quantiques que vous voyez réellement dans la vie quotidienne, car il est en partie responsable de la façon dont les matériaux en poudre s'agglutinent et s'écoulent comme ils le font. Dans le cristal, il adhère les couches ensemble.

"C'était passionnant de voir que les propriétés topologiques apparaissent et disparaissent en fonction uniquement de la façon dont les feuilles atomiques bidimensionnelles ont été empilées, " a déclaré Kondo. " Un tel degré de liberté dans la conception matérielle apportera de nouvelles idées, menant vers des applications comprenant des dispositifs spintroniques rapides et efficaces, et des choses que nous n'avons pas encore envisagées."

L'étude est publiée dans Matériaux naturels .