Nouvelle structure pour l'autoroute des électrons
Les isolants topologiques pourraient constituer la base de composants électroniques révolutionnaires. Toutefois, comme ils ne fonctionnent généralement qu'à très basse température, leur application pratique a été fortement limitée jusqu'à présent. Des chercheurs de l'université de Würzburg ont maintenant mis au point un isolant topologique qui fonctionne également à des températures plus élevées.
Un isolant topologique peut être imaginé comme un matériau qui est un isolant parfait à l'intérieur, c'est-à-dire qu'il ne conduit pas l'électricité. Sur ses bords, en revanche, il se comporte comme une "autoroute à électrons" presque sans perte. Les électrons peuvent se déplacer le long de ces chemins sans presque aucune perte.
Pour approfondir l'analogie : ces autoroutes ont des voies distinctes pour les électrons ayant des "spins" différents - une sorte de moment angulaire intrinsèque. Les électrons à "spin élevé" se déplacent dans une direction, les électrons à "spin réduit" dans la direction opposée. Cette régulation stricte du trafic permet d'éviter les collisions et donc les pertes d'énergie. Le phénomène sous-jacent est connu sous le nom d'effet Hall quantique de spin (QSHE) - un effet qui a également été prouvé expérimentalement pour la première fois à l'université de Würzburg.
Une structure de puits quantique à trois couches
Le principal avantage de cette propriété réside dans la possibilité d'un transport d'électrons sans perte et polarisé en spin, qui pourrait constituer la base de futurs composants électroniques révolutionnaires. Bien que le potentiel de cet effet soit énorme, son application pratique s'est heurtée à des difficultés considérables jusqu'à présent, principalement parce que les isolants topologiques ne présentent généralement leurs propriétés convoitées qu'à des températures extrêmement basses - juste au-dessus du zéro absolu, qui est d'environ moins 273 degrés Celsius.
Une équipe de chercheurs de l'université de Würzburg, en collaboration avec des scientifiques de l'université de Montpellier et de l'École normale supérieure de Paris, a maintenant mis au point un isolant topologique qui présente l'effet désiré même à des températures nettement plus élevées : environ moins 213 degrés Celsius, comme l'ont montré les expériences. L'équipe dirigée par le professeur Sven Höfling, titulaire de la chaire de physique technique, est à l'origine de ce résultat ; Fabian Hartmann et Manuel Meyer en sont les premiers auteurs.
"Nous avons développé et testé un nouveau système de matériaux pour nos expériences : une structure spéciale de puits quantique composée de trois couches", explique Sven Höfling. L'arséniure d'indium (InAs) forme les deux couches extérieures de la structure à trois couches. GaInSb, un alliage de gallium (Ga), d'indium (In) et d'antimoine (Sb), forme la couche intermédiaire. Selon les physiciens, cette structure à trois couches spécialement développée offre des avantages décisifs par rapport aux approches précédentes.
Un candidat prometteur pour les applications technologiques
"Le problème des matériaux utilisés jusqu'à présent est souvent que l'énergie de leur bande interdite est trop faible", explique Fabian Hartmann. La bande interdite peut être considérée comme une sorte de "barrière énergétique" que les électrons doivent franchir pour rendre l'intérieur du matériau conducteur. Une bande interdite plus importante signifie donc une barrière plus solide qui empêche l'intérieur de devenir conducteur même à des températures plus élevées et de perturber les canaux de bord sans perte. En fait, l'utilisation d'un alliage GaInSb augmente l'énergie de la bande interdite du matériau. Parallèlement, l'ajout d'une troisième couche d'InAs crée une structure symétrique qui améliore considérablement la taille et la robustesse de l'énergie de la bande interdite.
"Notre système est un candidat prometteur pour les applications technologiques car il combine trois avantages clés", explique Manuel Meyer. Premièrement, il peut être fabriqué en grandes quantités et à grande échelle. Deuxièmement, les résultats sont fiables et reproductibles. Enfin, le matériau est compatible avec la technologie existante des puces en silicium.
En résumé, les physiciens estiment que ces résultats ouvrent la voie au développement de l'électronique topologique. Celle-ci pourrait également fonctionner à des températures moins extrêmes et être intégrée de manière transparente dans la technologie des semi-conducteurs existante, ouvrant ainsi la voie à une nouvelle génération d'appareils puissants et économes en énergie.
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Publication originale
Manuel Meyer, Jonas Baumbach, Sergey Krishtopenko, Adriana Wolf, Monika Emmerling, Sebastian Schmid, Martin Kamp, Benoit Jouault, Jean-Baptiste Rodriguez, Eric Tournie, Tobias Müller, Ronny Thomale, Gerald Bastard, Frederic Teppe, Fabian Hartmann, Sven Höfling; "Quantum spin Hall effect in III-V semiconductors at elevated temperatures: Advancing topological electronics"; Science Advances, Volume 11
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