Il a fallu un projet de construction à l'échelle nanométrique à égalité avec les plus grands qui parsèment les autoroutes du Nebraska, mais le physicien Xia Hong dirige maintenant assez bien le trafic aléatoire des électrons pour l'analyser - et, en bas de la route, l'utiliser dans la technologie de nouvelle génération.

Hong et ses collègues de l'Université du Nebraska-Lincoln ont consacré ces dernières années à étudier ce qui se passe, et ce qui peut être réalisé, lors du dépôt de matériaux nanoscopiquement minces les uns sur les autres. Elle a été occupée à compléter les couches atomiques de semi-conducteurs - qui conduisent l'électricité mieux que les isolants mais pas aussi bien que les métaux - avec des ferroélectriques, dont l'alignement des charges positives et négatives, ou polarisation, peuvent être instantanément commutés en leur appliquant un champ électrique.

En utilisant l'approche, Hong a déjà induit toutes sortes de choses intéressantes, technologiquement attrayant et, peut-être le meilleur de tous, phénomènes reconfigurables dans les semi-conducteurs sous-jacents. Dans une nouvelle étude, son équipe a superposé un polymère ferroélectrique sur un semi-conducteur connu sous le nom de disulfure de rhénium. Des recherches antérieures avaient suggéré que le disulfure de rhénium possède une propriété prisée :la capacité de transporter des électrons, ou conduire l'électricité, beaucoup plus facilement dans certaines directions que dans d'autres. Cette qualité, connue sous le nom d'anisotropie, donne aux ingénieurs électriciens un contrôle beaucoup plus important et nécessaire sur le flux de courant électrique.

Mais en fait, mesurer, enquêter et manipuler le phénomène s'est avéré difficile, en partie à cause du fait que les électrons qui traversent même la tranche la plus fine de disulfure de rhénium sont susceptibles de s'effilocher les uns les autres.

La solution de Hong ? Verrouillez la polarisation du polymère sus-jacent et transformez efficacement le semi-conducteur sous-jacent en un isolant résistant au flux d'électricité. Puis, inverser la polarisation du polymère, mais uniquement dans un ruban de 300 nanomètres de large qui coupe en deux le matériau ferroélectrique sus-jacent. Le résultat :une mince, nanofil conducteur dans la couche autrement isolante de bisulfure de rhénium en dessous. Ou, comme Hong l'a décrit, une autoroute solitaire pour les électrons au milieu d'un désert infranchissable.

Avec le trafic d'électrons confiné à ce seul chemin, Hong et ses collègues Husker étaient prêts à étudier son écoulement avec des niveaux de précision sans précédent. Quand ils l'ont fait, ils ont découvert que la conductivité du disulfure de rhénium dépend, à un degré extraordinaire, sur l'orientation du chemin lui-même.

Si ce chemin est presque parallèle à un axe défini par la disposition des atomes dans le matériau, il conduit l'électricité presque aussi bien qu'un métal. Si le chemin est plutôt perpendiculaire à cet axe, bien que, la conductivité chute brutalement. En réalité, la différence de conductivité dépendant de l'angle - son anisotropie - est d'environ 5, 000 fois plus grand que n'importe quel rapport en 2D, configuration à commande ferroélectrique à ce jour.

"Nous avons donc utilisé cette technique très spéciale pour confirmer, pour la première fois, que l'anisotropie est énorme, " dit Hong, professeur agrégé de physique et d'astronomie au Nebraska.

Étonnamment, Hong a dit, l'anisotropie était la plus grande en la mesurant dans du disulfure de rhénium qui avait quatre couches atomiques d'épaisseur. C'est également dans la version à quatre couches que les mesures de son équipe se sont le plus rapprochées des prédictions théoriques fournies par Evgeny Tsymbal, Professeur de physique et d'astronomie à l'Université George Holmes.

Une partie de la raison ? L'ajout de quelques couches a soustrait une certaine complexité, dit Hong. De multiples facteurs peuvent influencer l'anisotropie dans le disulfure de rhénium monocouche. Mais la différence de conductivité extrême dans la version à quatre couches peut être prédite par sa seule structure dite de bande :combien d'électrons peuvent peupler un niveau d'énergie qui leur permet de commencer à migrer et, en faisant cela, conduire le courant électrique. Cette bande d'énergie s'aplatit dans certaines directions à mesure que des couches s'ajoutent, les chercheurs ont conclu, produisant plus d'embouteillages parmi les électrons et augmentant les différences directionnelles de conductivité.

"La plupart des gens auraient tendance à se concentrer sur une monocouche, " dit Hong. " Mais nous avons trouvé, réellement, que c'est le matériau à quelques couches qui est le plus intéressant."

Hong a dit que la connaissance, et l'ampleur de l'effet lui-même, pourrait rendre le disulfure de rhénium particulièrement utile pour fabriquer des lentilles qui focalisent les électrons de la même manière que les lentilles optiques font les rayons lumineux. Les lentilles électroniques aident à produire des images à haute résolution d'objets nanoscopiques qui ne peuvent pas être résolues avec la lumière.

"Ce matériau a, intrinsèquement, une capacité à faire bouger les électrons uniquement dans une direction, " a dit Hong. " Donc, nous pouvons utiliser cela comme un bloc de construction pour ces lentilles. "

Son anisotropie, associé à d'autres propriétés inhérentes à la constitution atomique du bisulfure de rhénium, pourrait également positionner le matériau comme un terrain de jeu fructueux pour générer et contrôler une gamme de phénomènes beaucoup plus large que la plupart des matériaux ne peuvent le prétendre, dit Hong.

"Je pense que c'est un matériau, " elle a dit, "dans lequel vous pourriez héberger du magnétisme ou de la supraconductivité, par exemple.

"Nous pensons que c'est un point de départ. Nous voulons donc l'utiliser comme matériel d'accueil et, probablement avec quelques manipulations, apprendre à activer et désactiver ces phénomènes."

Les chercheurs ont rapporté leurs découvertes dans le journal Lettres d'examen physique .