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Fabrication du premier isolant topologique bidimensionnel - Par : Hanen Hattab,

Fabrication du premier isolant topologique bidimensionnel


Hanen Hattab
Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

Une équipe de chercheurs du Department of Energy du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de la UC Berkeley ont fabriqué un matériau dont la théorisation et les études en laboratoires l’ont classé, à partir de la fin des années 2000, parmi les substances de l’informatique du futur.

Un nouvel état de la matière

Deux domaines des sciences des matériaux ont été mobilisés dans la création de ce matériau, à savoir les matériaux bidimensionnels comme le graphène, et les matériaux topologiques. Le comportement des matériaux bidimensionnels diffère de celui des types tridimensionnels. Quant aux matériaux topologiques, découverts depuis 2005, ils suscitent un engouement grandissant pour leurs éventuelles contributions à l’informatique quantique.

Cette nouvelle typologie de matériaux ouvre la voie vers une nouvelle épistémologie de la physique des matériaux. Ces matériaux sont isolants dans leurs masses et conducteurs sur leurs surfaces, d’où leur autre appellation, isolants topologiques. Leurs surfaces possèdent une nature métallique exceptionnelle qui les rend exploitables dans l’électronique fondée sur le spin de l’électron. Ils sont nommés isolants topologiques parce que leurs propriétés électroniques sont en rapport avec leurs caractéristiques topologiques.

Chaque type de matériaux possède une configuration d’atomes invariante fondée sur une symétrie bien déterminée. Or, cette représentation physique qui permet de classer les matériaux en solide, liquide, etc. selon leur topologie, en l’occurrence le nombre de symétries qu’ils présentent, a été bouleversée par la découverte des isolants topologiques dont la description par la symétrie atomique n’est plus pertinente. Ils ont été de fait considérés comme étant un nouvel état de la matière. Étant donné que les métaux conductibles possèdent une structure cristalline différente des métaux non conducteurs, les isolants topologiques possèdent de fait une topologie variante.

Propriétés émergentes des matériaux et isolants topologiques

1T’-WTe2, vers une nouvelle ère de la spintronique

En 2007, des chercheurs ont réussi à changer la configuration topologique d’un matériau en opérant une inversion des bandes électroniques en surface par rapport au volume. De plus, grâce à la propriété intrinsèque de l’électron appelée spin, il est possible de jouer sur la résistance électrique et aussi sur le magnétisme de la surface métallique.

Appelé la quatrième propriété de l’électron, le spin représente la rotation de l’électron sur lui-même. Sur la surface de ce type de matériau, l’orientation du spin des électrons fonctionne un peu comme l’aiguille d’une boussole pointant au nord ou au sud. Ce phénomène quantique peut être exploité pour créer un effet magnétique. Même si les nouvelles technologies de croissance des matériaux et de radiologies ont permis d’observer et de manipuler ces états de la matière, la production d’un isolant topologique aimanté est restée longtemps un défi majeur.  L’équipe du Berkeley Lab y est enfin parvenue.

Dans la spintronique, on exploite, comme dans l’électronique traditionnelle, la charge électrique de l’électron et aussi son spin.  L’émergence de la spintronique dans les années 1980 a introduit le principe de stockage magnétique de l’information. On a attesté la possibilité du stockage de l’information non pas seulement dans l’électron mais aussi dans son spin, c’est-à-dire, dans les états polarisés de l’électron. Or le développement de ce type de matériau, dont on peut contrôler le spin des électrons, n’était pas possible puisqu’il fallait qu’il possède notamment une structure nanométrique, à l’instar des matériaux bidimensionnels.

Perspectives de la spintronique

Étant à la fois un matériau bidimensionnel et un isolant topologique aimanté, le matériau, créé par cette équipe à partir du1T’-WTe2, peut ainsi transmettre les informations plus rapidement tout en consommant moins d’énergie et en diffusant moins de chaleurs.

Le matériau a été fabriqué et étudié au Berkley Lab Advanced Light Source (LAS), en utilisant une installation appelée synchrotron. Grosso modo, le synchrotron est un instrument permettant la manipulation à haute énergie des particules stables chargées.

Shujie Tang, auteur et co-chef de l’étude, a contribué à la croissance d’échantillons cristallinsde 3 atomes d’épaisseur du matériau dans un compartiment hautement purifié sous vide au LAS, en utilisant le processus d’épitaxie par faisceau moléculaire. Les échantillons de haute pureté obtenus ont par la suite été étudiés en utilisant la technique de spectroscopie de photoémission à résolution d’angle, connue sous le nom d’ARPES, qui permet de sonder les propriétés des électrons des matériaux.

Tang a affirmé que son équipe est la première au monde à avoir réalisé un isolant topologique bidimensionnel et à confirmer ses caractéristiques structurelles par l’ARPES. En effet, étant donné que la surface du matériau, c’est-à-dire sa partie conductrice, est extrêmement fine, mesurant seulement quelques nanomètres soit des milliers de fois plus minces que le faisceau du rayon X, il était difficile de déterminer toutes les propriétés électroniques du matériau. Ainsi les collaborateurs de l’UC Berkeley ont effectué des mesures supplémentaires à l’échelle atomique en utilisant le microscope à effet tunnel (scanning tunneling microscopy -STM), parvenant de fait à attester avec exactitude l’état surfacique du matériau.

Cette recherche a commencé en 2015 et a nécessité la participation de plus d’une vingtaine de chercheurs, bénéficiant en outre de la collaboration de recherches en informatique effectuées au sein du Berkeley Lab du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). L’équipe cherche désormais à fabriquer des échantillons plus importants de ce matériau et à découvrir comment régler et accentuer sélectivement certaines propriétés. Car, en plus de ses propriétés conductrices, ce matériau est sensible à la lumière et peut être utilisé dans les domaines du photovoltaïque et de l’optoélectronique.

Cette étude intitulée « Quantum spin Hall state in monolayer 1T’-WTe2 » a été publiée dans le journal Nature Physics le 26 juin 2017. Outre les scientifiques des universités citées plus haut, ont contribué à cette étude des chercheurs du State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics de Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, du Department of Physics de Pusan National University et du Max Planck POSTECH Center for Complex Phase Materials (Corée).

Hanen Hattab

Profil de l'auteur(e)

Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

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