Illustration du premier dispositif à semi-conducteur quantique où l’effet de peau topologique a été obtenu. Le flux d’électrons (cercle bleu) le long du bord assure une robustesse inégalée malgré les déformations du matériau ou autres perturbations externes. Ce semi-conducteur quantique représente une percée dans le développement de minuscules dispositifs électroniques topologiques. Crédit : Christoph Mäder/pixelwg
Les dispositifs semi-conducteurs sont de petits composants qui gèrent le mouvement des électrons dans les gadgets électroniques contemporains. Ils sont essentiels pour alimenter une large gamme de produits de haute technologie, notamment les téléphones portables, les ordinateurs portables et les capteurs de véhicules, ainsi que les dispositifs médicaux de pointe. Cependant, la présence d’impuretés dans le matériau ou les variations de température peuvent interférer avec le flux électronique, provoquant une instabilité.
Mais maintenant, des physiciens théoriciens et expérimentaux du pôle d’excellence Würzburg-Dresde ct.qmat — Complexité et topologie dans la matière quantique ont développé un dispositif semi-conducteur à partir d’arséniure d’aluminium-gallium (AlGaAs). Le flux électronique de cet appareil, généralement sensible aux interférences, est sauvegardé par un phénomène quantique topologique. Cette recherche révolutionnaire a été récemment détaillée dans la prestigieuse revue Physique naturelle.
« Grâce à l’effet de peau topologique, tous les courants entre les différents contacts du semi-conducteur quantique ne sont pas affectés par les impuretés ou autres perturbations externes. Cela rend les dispositifs topologiques de plus en plus attrayants pour l’industrie des semi-conducteurs. Ils éliminent le besoin de niveaux extrêmement élevés de pureté des matériaux qui font actuellement grimper les coûts de fabrication de produits électroniques », explique le professeur Jeroen van den Brink, directeur de l’Institut de physique théorique du solide à l’Institut Leibniz pour la recherche sur le solide et les matériaux à Dresde (IFW) et chercheur principal de ct.qmat.
Les matériaux quantiques topologiques, connus pour leur robustesse exceptionnelle, sont parfaitement adaptés aux applications gourmandes en énergie. « Notre semi-conducteur quantique est à la fois stable et très précis, une combinaison rare. Cela positionne notre dispositif topologique comme une nouvelle option passionnante dans l’ingénierie des capteurs.
Extrêmement robuste et ultra précis
L’utilisation de l’effet de peau topologique permet de créer de nouveaux types de dispositifs quantiques électroniques hautes performances qui pourraient également être incroyablement petits. « Notre dispositif quantique topologique mesure environ 0,1 millimètre de diamètre et peut être encore réduit facilement », révèle van den Brink. L’aspect pionnier de cette réalisation réalisée par l’équipe de physiciens de Dresde et de Würzburg est qu’ils ont été les premiers à réaliser l’effet de peau topologique à l’échelle microscopique dans un matériau semi-conducteur. Ce phénomène quantique a été initialement démontré à un niveau macroscopique il y a trois ans, mais uniquement dans un métamatériau artificiel et non naturel. C’est donc la première fois qu’un minuscule dispositif quantique topologique à base de semi-conducteurs, à la fois très robuste et ultra-sensible, est développé.
« Dans notre dispositif quantique, la relation courant-tension est protégée par l’effet de peau topologique car les électrons sont confinés au bord. Même en cas d’impuretés dans le matériau semi-conducteur, le flux de courant reste stable », explique van den Brink. Il poursuit : « De plus, les contacts peuvent détecter les moindres fluctuations de courant ou de tension. Cela rend le dispositif quantique topologique exceptionnellement bien adapté à la fabrication de capteurs et d’amplificateurs de haute précision avec des diamètres minuscules.
L’expérimentation innovante mène à la découverte
Le succès a été obtenu en disposant de manière créative les matériaux et les contacts sur un dispositif semi-conducteur AlGaAs, induisant l’effet topologique dans des conditions ultra-froides et un champ magnétique puissant. «Nous avons vraiment réussi à extraire l’effet topologique de la peau de l’appareil», explique van den Brink. L’équipe de physique a utilisé une structure semi-conductrice bidimensionnelle. Les contacts ont été disposés de telle manière que la résistance électrique puisse être mesurée au niveau des bords de contact, révélant ainsi directement l’effet topologique.
Recherche unie dans différents endroits
Depuis 2019, ct.qmat étudie les matériaux quantiques topologiques à Würzburg et Dresde, explorant leur comportement extraordinaire dans des conditions extrêmes telles que des températures ultra-basses, des pressions élevées ou des champs magnétiques puissants.
Cette récente avancée est également le résultat d’une collaboration soutenue entre les scientifiques des deux sites du cluster. Le nouveau dispositif quantique, conçu à l’IFW, est le fruit d’un effort conjoint impliquant des physiciens théoriciens de l’Universität Würzburg ainsi que des chercheurs théoriques et expérimentaux de Dresde. Après avoir été produit en France, l’appareil a été testé à Dresde. Jeroen van den Brink et ses collègues se consacrent désormais à explorer davantage ce phénomène, dans le but de l’exploiter pour de futures innovations technologiques.
