Les feuilles bidimensionnelles d'éléments du groupe IV et du groupe V (xènes 2D) sont des isolants topologiques. Crédit :FLOTTE
Une étude collaborative menée par l'Université de Wollongong confirme le mécanisme de commutation pour une nouvelle génération proposée d'électronique topologique à ultra-basse énergie.
Basés sur de nouveaux matériaux topologiques quantiques, de tels dispositifs "feraient passer" un isolant topologique d'un état non conducteur (isolant électrique conventionnel) à un état conducteur (isolant topologique), dans lequel le courant électrique pourrait circuler le long de ses états de bord sans perte d'énergie. /P>
Une telle électronique topologique pourrait réduire radicalement l'énergie consommée dans l'informatique et l'électronique, qui est estimée à 8 % de l'électricité mondiale et qui double chaque décennie.
Dirigée par le Dr Muhammad Nadeem de l'Université de Wollongong (UOW), l'étude a également fait appel à l'expertise des collaborateurs du FLEET Center de l'UNSW et de l'Université Monash.
Résoudre le problème de changement
Les isolants topologiques bidimensionnels sont des matériaux prometteurs pour les dispositifs électroniques quantiques topologiques où le transport d'état de bord peut être contrôlé par un champ électrique induit par la grille.
Cependant, un défi majeur avec une telle commutation topologique induite par un champ électrique a été la nécessité d'un champ électrique irréaliste pour fermer la bande interdite topologique.
L'équipe de recherche inter-nœuds et interdisciplinaire FLEET a étudié la dépendance à la largeur des propriétés électroniques pour confirmer qu'une classe de matériaux connue sous le nom de nanorubans zigzag-Xene remplirait les conditions nécessaires au fonctionnement, à savoir :
Zigzag Xenes pourrait être la clé
Le graphène a été le premier matériau atomiquement mince confirmé, une feuille 2D d'atomes de carbone (groupe IV) disposés dans un réseau en nid d'abeilles. Actuellement, les propriétés topologiques et électroniques sont étudiées pour des feuilles de nid d'abeilles similaires de matériaux des groupes IV et V, collectivement appelés 2D-Xenes.
Les xènes 2D sont des isolants topologiques, c'est-à-dire électriquement isolants à l'intérieur mais conducteurs le long de leurs bords, où les électrons sont transmis sans dissiper d'énergie (similaire à un supraconducteur). Lorsqu'une feuille 2D-Xène est découpée en un ruban étroit terminé sur des bords en "zigzag", appelés zigzag-Xène-nanoribons, elle conserve les modes de bord conducteurs caractéristiques d'un isolant topologique, dont on pense qu'ils conservent leur capacité à transporter du courant sans dissipation.
Il a récemment été démontré que les nanoribbons zigzag-Xene ont le potentiel de fabriquer un transistor topologique qui peut réduire l'énergie de commutation par un facteur de quatre.
La nouvelle recherche menée par l'UOW a révélé ce qui suit :
Maintenir les états des bords
Les mesures ont indiqué que les états de bord chiraux filtrés par spin dans les nanorubans zigzag-Xene restent sans espace et protégés contre la diffusion vers l'arrière qui provoque une résistance, même avec un chevauchement inter-bords fini dans des rubans ultra-étroits (ce qui signifie qu'un matériau Hall de spin quantique 2D subit une phase transition vers un métal topologique 1D.) Ceci est entraîné par les états de bord qui s'entrelacent avec les modes intrinsèques à énergie zéro pilotés par la topologie de bande.
"Les zigzag-xène-nanoribons confinés quantiques sont une classe spéciale de matériaux isolants topologiques où la bande interdite de l'échantillon en vrac augmente avec une diminution de la largeur, tandis que la conduction de l'état de bord reste robuste contre la dissipation même si la largeur est réduite à un quasi- une dimension », déclare le chercheur FLEET et collaborateur de la nouvelle étude, le professeur associé Dmitrie Culcer (UNSW). "Cette caractéristique des zigzag-Xene-nanoribons confinés contraste fortement avec d'autres matériaux isolants topologiques 2D dans lesquels les effets de confinement induisent également un écart d'énergie dans les états de bord."
Tension de seuil bas
En raison de l'accordabilité dépendant de la largeur et de l'impulsion du couplage inter-bord induit par la grille, la tension de seuil requise pour basculer entre les états de bord sans espace et avec espace diminue à mesure que la largeur du matériau diminue, sans aucune limite inférieure fondamentale.
"Un zigzag-Xene-nanoribbon ultra-étroit peut" basculer "entre un métal topologique quasi unidimensionnel avec des états de bord conducteurs sans espace et un isolant ordinaire avec des états de bord avec un petit ajustement d'un bouton de tension", explique l'auteur principal, le Dr Muhammad Nadeem (UOW).
"Le réglage souhaité d'un bouton de tension diminue avec la diminution de la largeur des zigzag-Xene-nanoribons, et une tension de fonctionnement inférieure signifie que l'appareil peut utiliser moins d'énergie. La réduction du réglage du bouton de tension est due à un effet quantique relativiste appelé spin-orbite couplage et contraste fortement avec les nanoribbons en zigzag-Xene vierges qui sont des isolants ordinaires et dans lesquels le réglage du bouton de tension souhaité augmente avec la diminution de la largeur."
Commutation topologique sans fermeture de bande interdite en bloc
Lorsque la largeur des nanorubans en zigzag-Xène est inférieure à une limite critique, la commutation topologique entre les états de bord peut être atteinte sans fermeture et réouverture de la bande interdite en vrac. Cela est principalement dû à l'effet de confinement quantique sur le spectre de la bande en vrac, qui augmente la bande interdite en vrac non triviale avec la diminution de la largeur.
"Ce comportement est nouveau et distinct des isolants topologiques 2D, où la fermeture et la réouverture de la bande interdite sont toujours nécessaires pour changer l'état topologique", déclare le professeur Michael Fuhrer (Monash). "Les larges zigzag-Xene-nanoribbons agissent plus comme le cas 2D, où le champ électrique de grille change la conductance de l'état de bord tout en fermant et en rouvrant simultanément la bande interdite en vrac."
"En présence d'un couplage spin-orbite, [un] mécanisme de commutation topologique dans des nanoribbons zigzag-Xene confinés à grand écart renverse la sagesse générale d'utiliser des matériaux à écart étroit et à canal large pour réduire la tension de seuil dans une analyse de transistor à effet de champ standard ", déclare le professeur Xiaolin Wang (UOW).
"En outre, [un] transistor à effet de champ quantique topologique utilisant des nanoribons zigzag-Xene comme matériau de canal présente plusieurs avantages liés aux complexités techniques impliquées dans la conception et la fabrication", déclare le professeur Alex Hamilton (UNSW).
Contrairement à la technologie MOSFET, dans laquelle la dépendance à la taille de la tension de seuil est liée à des techniques d'isolation, la réduction de la tension de seuil dans un transistor à effet de champ quantique topologique est une propriété intrinsèque des nanorubans zigzag-Xene associés à des fonctionnalités mécaniques topologiques et quantiques. /P>
Outre des mécanismes de conduction et de commutation très différents, les aspects technologiques requis pour fabriquer un transistor à effet de champ quantique topologique avec des nanorubans zigzag-Xène diffèrent également radicalement de ceux des MOSFET :il n'y a aucune exigence fondamentale de techniques technologiques/d'isolation spécialisées pour un faible tension TQFET avec un mécanisme de commutation économe en énergie.
Avec une robustesse topologique préservée à l'état ON et une tension de seuil minimale, la largeur de canal peut être réduite à une dimension quasi unidimensionnelle. Cela permet d'optimiser la géométrie d'un transistor à effet de champ quantique topologique avec un rapport signal/bruit amélioré via plusieurs canaux d'état de bord. Changer de mode de conduction :un pas vers les transistors topologiques
