Une équipe de recherche a synthétisé un film mince d’un nouveau matériau semi-métallique topologique, qui promet une puissance de calcul et un stockage accrus avec une consommation d’énergie réduite. Leur processus de fabrication unique est compatible avec l’industrie et leur étude approfondie du matériau a révélé des informations significatives sur ses propriétés sans précédent.
Des chercheurs de l’Université du Minnesota ont réussi pour la première fois à créer un film mince d’un semi-métal unique.
Pour la première fois, une équipe de l’Université du Minnesota Twin Cities a synthétisé un film mince d’un matériau semi-métallique topologique unique qui a le potentiel de générer plus de puissance de calcul et de stockage de mémoire tout en utilisant beaucoup moins d’énergie. De plus, l’examen approfondi du matériau par l’équipe a fourni des informations cruciales sur la physique derrière ses propriétés uniques.
L’étude a été récemment publiée dans la revue Communications naturelles.
Comme en témoigne la récente loi américaine CHIPS and Science Act, il existe un besoin croissant d’augmenter la fabrication de semi-conducteurs et de soutenir la recherche visant à développer les matériaux qui alimentent les appareils électroniques partout dans le monde. Bien que traditionnel semi-conducteurs sont la technologie derrière la plupart des puces informatiques actuelles, les scientifiques et les ingénieurs sont toujours à la recherche de nouveaux matériaux capables de générer plus de puissance avec moins d’énergie pour rendre l’électronique meilleure, plus petite et plus efficace.
L’un de ces candidats pour ces nouvelles puces informatiques améliorées est une classe de matériaux quantiques appelés semi-métaux topologiques. Les électrons de ces matériaux se comportent de différentes manières, ce qui leur confère des propriétés uniques que les isolants et les métaux typiques utilisés dans les appareils électroniques n’ont pas. Pour cette raison, leur utilisation est étudiée dans les dispositifs spintroniques, une alternative aux dispositifs semi-conducteurs traditionnels qui exploitent le spin des électrons plutôt que la charge électrique pour stocker des données et traiter des informations.
Dans cette nouvelle étude, une équipe interdisciplinaire de chercheurs de l’Université du Minnesota a réussi à synthétiser un matériau tel qu’un film mince et à prouver qu’il présente un potentiel de haute performance avec une faible consommation d’énergie.
« Cette recherche montre pour la première fois qu’il est possible de passer d’un isolant topologique faible à un semi-métal topologique en utilisant une stratégie de dopage magnétique », a déclaré Jian-Ping Wang, auteur principal de l’article et professeur émérite de l’Université McKnight et Robert F. Chaire Hartmann du Département de génie électrique et informatique de l’Université du Minnesota. « Nous recherchons des moyens de prolonger la durée de vie de nos appareils électriques tout en réduisant la consommation d’énergie, et nous essayons de le faire de manière non traditionnelle et originale. »
Les chercheurs travaillent sur les matériaux topologiques depuis des années, mais l’équipe de l’Université du Minnesota est la première à utiliser un processus de pulvérisation breveté et compatible avec l’industrie pour créer ce semi-métal sous forme de couche mince. Parce que leur processus est compatible avec l’industrie, a déclaré Wang, la technologie peut être plus facilement adoptée et utilisée pour fabriquer des appareils du monde réel.
« Chaque jour de notre vie, nous utilisons des appareils électroniques, de nos téléphones portables aux lave-vaisselle en passant par les micro-ondes. Ils utilisent tous des chips. Tout consomme de l’énergie », a déclaré Andre Mkhoyan, auteur principal de l’article et titulaire de la chaire Ray D. et Mary T. Johnson et professeur au département de génie chimique et de science des matériaux de l’Université du Minnesota. « La question est : comment minimiser cette consommation d’énergie ? Cette recherche est un pas dans cette direction. Nous proposons une nouvelle classe de matériaux offrant des performances similaires, voire meilleures, mais utilisant beaucoup moins d’énergie.
Grâce à la fabrication d’un matériau de très haute qualité, les chercheurs ont également pu analyser de près ses propriétés et ce qui le rend si unique.
« L’une des principales contributions de ce travail d’un point de vue physique est que nous avons pu étudier certaines des propriétés les plus fondamentales de ce matériau », a déclaré Tony Low, auteur principal de l’article et professeur agrégé Paul Palmberg à l’Université. du Département de génie électrique et informatique du Minnesota. « Normalement, lorsque vous appliquez un champ magnétique, la résistance longitudinale d’un matériau augmente, mais dans ce matériau topologique particulier, nous avons prédit qu’elle diminuerait. Nous avons pu corroborer notre théorie avec les données de transport mesurées et confirmer qu’il existe bien une résistance négative.
Low, Mkhoyan et Wang travaillent ensemble depuis plus d’une décennie sur les matériaux topologiques destinés aux appareils et systèmes électroniques de nouvelle génération. Cette recherche n’aurait pas été possible sans la combinaison de leurs expertises respectives en théorie et en calcul, en croissance et caractérisation des matériaux, et la fabrication d’appareils.
« Il faut non seulement une vision inspirante, mais aussi une grande patience dans les quatre disciplines et un groupe dévoué de membres de l’équipe pour travailler sur un sujet aussi important mais aussi stimulant, qui permettra potentiellement la transition de la technologie du laboratoire à l’industrie », a déclaré Wang. .
Outre Low, Mkhoyan et Wang, l’équipe de recherche comprenait Delin Zhang, Wei Jiang, Onri Benally, Zach Cresswell, Yihong Fan, Yang Lv et Przemyslaw Swatek, chercheurs du Département de génie électrique et informatique de l’Université du Minnesota ; Hwanhui Yun, chercheur au Département de génie chimique et de science des matériaux ; Thomas Peterson, chercheur au Département de physique et d’astronomie ; et Guichuan Yu et Javier Barriocanal, chercheurs du centre de caractérisation de l’Université du Minnesota.
Cette recherche est soutenue par SMART, l’un des sept centres de nCORE, un programme de Semiconductor Research Corporation, parrainé par le National Institute of Standards and Technology (NIST). TP et DZ ont été en partie soutenus par ASCENT, l’un des six centres de JUMP, un programme de Semiconductor Research Corporation parrainé par MARCO et DARPA. Ce travail a été partiellement soutenu par le programme du Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) de l’Université du Minnesota sous le numéro de récompense DMR-2011401 (Seed). Une partie de ce travail a été réalisée dans le centre de caractérisation des villes jumelles de l’Université du Minnesota, qui reçoit un soutien partiel de la National Science Foundation par l’intermédiaire du MRSEC (numéro de prix DMR-2011401). Des parties de ce travail ont été menées au Minnesota Nano Center, qui est soutenu par le NSF Nano Cooperative Infrastructure Network (NNCI) sous le numéro d’attribution ECCS-2025124.
