Un nouvel état quantique observé à température ambiante pourrait révolutionner l’électronique

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La recherche de nouvelles propriétés topologiques de la matière est la nouvelle ruée vers l’or de la physique moderne. Pour la première fois, des physiciens ont observé de nouveaux effets quantiques dans un isolant topologique à base d’élément bismuth, à température ambiante. Cette découverte ouvre une nouvelle gamme de possibilités pour le développement de technologies quantiques efficaces et économes en énergie.

Ces dernières années, l’étude de états topologiques du sujet a attiré une attention considérable parmi les physiciens et les ingénieurs et fait actuellement l’objet d’un grand intérêt et de recherches internationales. Ce domaine d’étude combine physique quantique avec la topologie, une branche des mathématiques théoriques qui explore les propriétés géométriques qui peuvent être déformées, mais pas intrinsèquement modifiées.

En d’autres termes, le topologie est la branche des mathématiques qui étudie les propriétés des objets géométriques conservés par déformation continue sans déchirure ni collage, comme un élastique que l’on peut étirer sans casser.

M. Zahid Hasan, professeur de physique à l’Université de Princeton, auteur principal de la présente étude, souligne dans un Libération : « Les nouvelles propriétés topologiques de la matière sont devenues l’un des trésors les plus recherchés de la physique moderne, tant du point de vue de la physique fondamentale que pour trouver des applications potentielles dans l’ingénierie quantique et la nanotechnologie de nouvelle génération. ».

Dans ce contexte, la spintronique surgi. Elle repose sur l’utilisation d’une propriété fondamentale des particules, appelée spin, pour le traitement de l’information. Le spin est une propriété quantique des particules étroitement liée à leurs propriétés de rotation. Il joue un rôle essentiel dans les propriétés de la matière.

La spintronique est analogue à l’électronique, cette dernière utilise, au lieu de spin, la charge électrique d’un électron. Transporter des informations sur la charge et le spin d’un électron offre potentiellement des dispositifs avec une plus grande diversité de fonctionnalités.

Des chercheurs de Princeton ont découvert qu’un matériau du type isolant topologique, composé des éléments bismuth et brome, présente des comportements quantiques, observés uniquement dans des conditions expérimentales extrêmes de haute pression et de températures proches du zéro absolu. Cette découverte ouvre un nouveau champ de possibilités pour le développement de technologies quantiques efficaces basées sur la spintronique. Son travail est publié dans le magazine matériaux de la nature.

Une première mondiale à température ambiante

Il convient de noter que les scientifiques utilisent des isolants topologiques pour démontrer les effets quantiques depuis plus d’une décennie. C’est un dispositif unique qui agit comme un isolant en volume : le électrons à l’intérieur de l’isolant, ils ne sont pas libres de se déplacer et ne sont donc pas conducteurs d’électricité, mais dont la surface peut cependant devenir conductrice.

L’expérience décrite dans cette étude est la première à les observer à température ambiante. Généralement, l’induction et l’observation d’états quantiques dans les isolants topologiques nécessitent des températures proches du zéro absolu (environ -273 degrés Celsius).

En fait, les températures ambiantes ou élevées créent ce que les physiciens appellent un “bruit thermique”, défini comme une augmentation de la température telle que les atomes se mettent à vibrer violemment. Cette action peut perturber des systèmes quantiques délicats, effondrant ainsi l’état quantique.

Dans les isolateurs topologiques, en particulier, ces températures plus élevées créent une situation dans laquelle les électrons à la surface de l’isolant envahissent le volume de l’isolant et provoquent également la conduction des électrons, ce qui dilue ou brise l’effet quantique spécial.

Par conséquent, la solution consiste à soumettre ces expériences à des températures exceptionnellement froides, généralement égales ou proches du zéro absolu. A ces températures, les particules atomiques et subatomiques cessent de vibrer et sont donc plus faciles à manipuler. Cependant, créer et maintenir un environnement ultra-froid n’est pas pratique pour de nombreuses raisons : coût, volume, forte consommation d’énergie.

Un isolant topologique unique

Hasan et son équipe ont développé une méthode innovante pour résoudre ce problème. Forts de leur expérience avec les matériaux topologiques, ils ont créé un nouveau type d’isolant topologique à base de bromure de bismuth, un composé cristallin inorganique parfois utilisé pour le traitement de l’eau et l’analyse chimique.

Plus précisément, vous devez savoir que les isolants, comme les semi-conducteurs, ont ce qu’on appelle des trous d’isolation (ou de bande). Ce sont essentiellement des “barrières” entre les électrons en orbite, une sorte de “no man’s land” où les électrons ne peuvent pas passer, expliquent les auteurs. Ces bandes interdites sont extrêmement importantes car elles constituent la pierre angulaire pour surmonter la limitation de l’obtention d’un état quantique imposé par le bruit thermique.

Cependant, ils le font si la largeur de la bande interdite dépasse la largeur du bruit thermique. Mais une trop grande bande interdite peut potentiellement perturber le couplage entre le spin et l’orbite de l’électron : c’est l’interaction entre le spin d’un électron et son mouvement orbital autour du noyau. Lorsque cette perturbation se produit, l’état quantique topologique s’effondre. Par conséquent, l’astuce pour induire et maintenir un effet quantique est de trouver un équilibre entre une large bande interdite et les effets de couplage spin-orbite.

L’isolant qu’Hasan et son équipe ont étudié présente un écart d’isolement de plus de 200 meV, suffisamment grand pour s’affranchir du bruit thermique, mais suffisamment petit pour ne pas perturber l’effet de couplage spin-orbite et la topologie d’inversion de l’isolant bandé.

Une découverte révolutionnaire pour l’électronique.

Hassan dit : Dans nos expériences, nous avons trouvé un équilibre entre les effets de couplage spin-orbite et une large bande interdite. Nous avons découvert qu’il existe un “sweet spot” où il peut y avoir un couplage spin-orbite relativement important pour créer un spin topologique et augmenter la bande interdite sans la détruire. C’est comme un seuil de rentabilité pour les matériaux à base de bismuth, que nous étudions depuis longtemps. ».

Pour mettre en évidence cette propriété, les chercheurs ont utilisé un microscope à effet tunnel à résolution subatomique, un appareil unique qui utilise une propriété connue sous le nom de “effet tunnel quantique”. Plus précisément, lorsque la pointe d’un seul atome dans le microscope se trouve à moins de 1 nm de la surface, les électrons à la pointe sont réticents à rester sur la pointe et peuvent être transférés à la surface, illustrant l’effet tunnel. Le microscope détermine la conductance électrique entre la pointe et la surface, c’est-à-dire la quantité de courant qui la traverse. En balayant ligne après ligne, nous obtenons une carte électronique de la surface et de chaque atome ou molécule qui y est placé.

C’est ainsi que les chercheurs ont observé un état clair du bord de Hall du spin quantique, qui est l’une des propriétés importantes qui n’existent que dans les systèmes topologiques. Cela a nécessité une nouvelle instrumentation supplémentaire pour isoler de manière unique l’effet topologique.

Nana Shumiya, associée de recherche postdoctorale en génie électrique et informatique, l’un des trois co-auteurs principaux de l’étude, explique : ” C’est formidable que nous les ayons trouvés sans pression géante ni champs magnétiques ultra-élevés, ce qui rend les matériaux plus accessibles pour le développement de technologies quantiques de nouvelle génération. “. Elle ajoute: ” Je crois que notre découverte fera considérablement avancer la frontière quantique. ».

Maintenant, les chercheurs veulent déterminer quels autres matériaux topologiques pourraient fonctionner à température ambiante et, plus important encore, fournir à d’autres scientifiques les outils et les nouvelles méthodes d’instrumentation pour identifier les matériaux qui fonctionnent à température ambiante et à des températures élevées.

Police de caractère : matériaux de la nature

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