Les isolants topologiques pourraient constituer la base de composants électroniques révolutionnaires. Cependant, comme ils ne fonctionnent généralement qu’à des températures très basses, leur application pratique a été jusqu’à présent très limitée. Des chercheurs de l'Université de Würzburg ont développé un isolant topologique qui fonctionne également à des températures plus élevées. Leurs résultats sont publiés dans Avancées scientifiques.
Un isolant topologique peut être imaginé comme un matériau parfaitement isolant à l’intérieur : il n’y conduit pas l’électricité. Cependant, sur ses bords, il se comporte comme une « autoroute électronique » presque sans perte. Les électrons peuvent se déplacer le long de ces chemins sans pratiquement aucune perte.
Pour approfondir l’analogie : ces autoroutes ont des voies séparées pour les électrons avec des « spins » différents – une sorte de moment cinétique intrinsèque. Les électrons à « spin-up » se déplacent dans une direction, les électrons à « spin-down » se déplacent dans la direction opposée. Cette réglementation stricte de la circulation évite les collisions et donc les pertes d'énergie. Le phénomène à l’origine de ce phénomène est connu sous le nom d’effet Hall de spin quantique (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, ce qui pourrait constituer la base de futurs composants électroniques révolutionnaires. Bien que cet effet présente un énorme potentiel, son application pratique s'est heurtée jusqu'à présent à des défis considérables, principalement parce que les isolants topologiques ne présentent généralement leurs propriétés convoitées qu'à des températures extrêmement basses, juste au-dessus du zéro absolu, soit environ -273 °C.
Une équipe de recherche de l'Université de Würzburg, en collaboration avec des scientifiques de l'Université de Montpellier et de l'École Normale Supérieure de Paris, a développé un isolant topologique qui présente l'effet souhaité même à des températures nettement plus élevées : autour de -213°C, comme l'ont montré les expériences. Une équipe dirigée par le professeur Sven Höfling, titulaire de la chaire de physique technique, était responsable de cette réalisation ; Fabian Hartmann et Manuel Meyer sont les premiers auteurs conjoints.
« Nous avons développé et testé un nouveau système de matériaux pour nos expériences : une structure spéciale de puits quantique composée de trois couches », explique Höfling. L'arséniure d'indium (InAs) forme les deux couches externes 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 avec les matériaux utilisés jusqu'à présent est souvent que leur énergie de bande interdite est trop faible », explique Hartmann. La bande interdite peut être considérée comme une sorte de « barrière énergétique » que les électrons doivent surmonter afin de rendre conducteur l’intérieur du matériau. Une bande interdite plus grande signifie donc une barrière plus robuste qui empêche l'intérieur de devenir conducteur même à des températures plus élevées et de perturber les canaux de bord sans perte.
En effet, l’utilisation d’un alliage GaInSb augmente l’énergie de bande interdite du matériau. Dans le même temps, 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 Meyer. Premièrement, il peut être fabriqué en grande quantité et à grande échelle. Deuxièmement, les résultats sont fiables et reproductibles. Et troisièmement, 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. Cela pourrait également fonctionner à des températures moins extrêmes et être intégré de manière transparente dans la technologie des semi-conducteurs établie, ouvrant ainsi la porte à une nouvelle génération de dispositifs puissants et économes en énergie.
