Une équipe de recherche dirigée par les physiciens Ming Yi et Emilia Morosan de Rice University a développé un nouveau matériau avec des propriétés électroniques uniques qui pourraient permettre des dispositifs électroniques plus puissants et économes en énergie.
Le matériau, connu sous le nom de métal de ligne nodal Kramers, a été produit en introduisant une petite quantité d'indium dans un composé en couches basé sur le tantale et le soufre. L'ajout d'indium modifie la symétrie de la structure cristalline, et le résultat favorise les nouvelles propriétés physiques associées au comportement de la ligne nodale Kramers. La recherche, publiée dans Communications de la naturereprésente une étape vers l'électronique à faible consommation d'énergie et ouvre la voie à des technologies plus durables.
« Notre travail fournit un chemin clair pour découvrir et concevoir de nouveaux matériaux quantiques avec des propriétés souhaitables pour les futures électroniques », a déclaré Yi, professeur agrégé de physique et d'astronomie.
Créer un nouveau matériel
Les chercheurs ont découvert que lorsqu'ils ont ajouté de minuscules quantités d'indium au disulfure de tantale (Tas₂), la symétrie cristalline sous-jacente du matériau a changé, conduisant à un motif de protection unique où les électrons qui tournent et tournent suivent différentes voies dans l'espace de momentum, un peu comme les voitures dans des directions opposées sur une autoroute. Cela se produit jusqu'à ce que les deux chemins fusionnent sur la ligne nodale de Kramers.
Ce nouveau matériau a également démontré la capacité de transporter de l'électricité sans perte d'énergie, affichant des propriétés supraconductrices. Cette double caractéristique pourrait permettre le développement de supraconducteurs topologiques, qui peuvent améliorer les systèmes d'alimentation et les technologies informatiques.
« La conception d'un matériel pour répondre aux conditions de symétrie strictes nécessaires à ces propriétés spéciales était difficile, mais les résultats ont été gratifiants », a déclaré Morosan, professeur de physique et d'astronomie, d'ingénierie électrique et informatique et de chimie et directeur du Rice Center for Quantum Materials.
L'équipe a expérimenté diverses compositions pour observer les propriétés optimales. En utilisant des outils avancés tels que la spectroscopie de photoémission résolue à l'angle et le transport électrique à angle de spin dans les champs magnétiques appliqués, ils ont examiné les minuscules particules dans le matériau. Cette technique leur a permis de mesurer l'énergie, le mouvement et la rotation des électrons, les particules responsables du transport de l'électricité.
« Nos expériences indiquent que nous pouvons ajuster avec précision les propriétés du matériau pour accentuer ses traits topologiques, ce qui est vital pour les applications futures », a déclaré Yichen Zhang, doctorant chez Rice et co-premier auteur de l'étude.
Les résultats
Pour assurer la fiabilité de leurs résultats, ils ont combiné les observations expérimentales avec des calculs théoriques sophistiqués de premier principe. Les prédictions théoriques alignées sur les données expérimentales, fournissant des informations plus approfondies sur la topologie électronique du matériau.
En découvrant et en réglant les propriétés d'un métal nodal de Kramers, l'équipe de Yi et Morosan étend non seulement la compréhension des matériaux quantiques, mais ouvrant également la voie à des technologies électroniques transformatrices à faible énergie, a déclaré Junichiro Kono, directeur du Smalley-Curl Institute et co-auteur de l'étude.
« Ce travail révolutionnaire illustre l'esprit d'innovation qui définit le Smalley-Curl Institute », a déclaré Kono. « Il fait progresser notre mission de favoriser la collaboration interdisciplinaire dans de nombreux domaines, réunissant la physique, la science des matériaux et l'ingénierie pour explorer de nouveaux comportements quantiques dans la matière. »
Les chercheurs disent que cette découverte n'est que le début, et ils sont impatients de continuer à explorer ces nouveaux matériaux pour découvrir des propriétés encore plus remarquables qui pourraient conduire à des percées dans la technologie et la science.
« Il y a encore beaucoup à explorer, et nous sommes ravis des possibilités futures que ce nouveau matériel présente », a déclaré Yuxiang Gao, doctorant chez Rice et co-premier auteur de l'étude.
