Une équipe de recherche de l'Université du Minnesota-Twin Cities a synthétisé pour la première fois un film de matériau semi-métallique topologique unique qui a le potentiel de produire une plus grande puissance de calcul et un plus grand stockage de mémoire tout en réduisant considérablement la consommation d'énergie. En outre, l’équipe a étudié attentivement le matériau et a acquis des informations importantes sur la physique derrière ses propriétés uniques.
La recherche a été récemment publiée dans la revue Nature Communications.
Comme en témoigne la récente loi CHIPS and Science Act aux États-Unis, il existe un besoin croissant d’augmenter la fabrication de semi-conducteurs et de soutenir la recherche utilisée pour développer les matériaux qui alimentent les appareils électroniques partout dans le monde. Alors que les semi-conducteurs traditionnels constituent aujourd’hui la technologie derrière la plupart des puces informatiques, les scientifiques et les ingénieurs sont toujours à la recherche de nouveaux matériaux capables de produire plus de puissance avec moins pour rendre l’électronique meilleure, plus petite et plus efficace.
Un matériau candidat pour cette nouvelle classe de 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 l'on ne retrouve pas dans les isolants et les métaux typiques utilisés dans les appareils électroniques. Par conséquent, ces matériaux sont à l’étude pour être utilisés dans des dispositifs spintroniques. Les dispositifs spintroniques sont une alternative aux dispositifs semi-conducteurs traditionnels qui utilisent le spin des électrons au lieu de la charge électrique pour stocker des données et traiter des informations.
Dans la nouvelle étude, une équipe de recherche interdisciplinaire de l’Université du Minnesota a réussi à synthétiser un tel matériau en couche mince et a démontré son potentiel en termes de hautes performances et de faible consommation d’énergie.
"Cette étude 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 Jianping Wang, auteur principal de l'article, professeur émérite à l'Université McKnight et professeur titulaire de la chaire Robert Hartmann au Département de génie électrique et informatique de l'Université du Minnesota. "Nous recherchons des moyens de prolonger la durée de vie des appareils électroniques tout en réduisant la consommation d'énergie, et nous essayons d'utiliser des méthodes non traditionnelles et non conventionnelles pour atteindre cet objectif."
Les chercheurs étudient 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 film mince. Wang a déclaré que parce que leur processus est compatible avec l'industrie, la technologie pourrait être plus facilement adoptée et utilisée pour fabriquer des appareils du monde réel.
"Nous utilisons des appareils électroniques tous les jours dans nos vies, des téléphones portables aux lave-vaisselle en passant par les fours à micro-ondes. Ils utilisent tous des puces. Tout consomme de l'énergie", a déclaré Andre Mkhoyan, auteur principal de l'article et professeur Ray D. et Mary T. Johnson de génie chimique et de science des matériaux à l'Université du Minnesota. "La question est de savoir comment minimiser la consommation d'énergie ? Cette recherche est un pas dans cette direction. Nous développons une nouvelle classe de matériaux dotés de propriétés similaires, voire meilleures, mais avec une consommation d'énergie inférieure."
Grâce à la création d’un matériau d’une telle qualité, les chercheurs ont également pu analyser soigneusement ses propriétés et ce qui le rend unique.
"D'un point de vue physique, l'une des contributions majeures de ce travail 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 au Département de génie électrique et informatique de l'Université du Minnesota. "Normalement, lorsque vous appliquez un champ magnétique, la résistance longitudinale du matériau augmente, mais dans ce matériau topologique particulier, nous avons prédit que la résistance longitudinale diminuerait. Nous avons pu corroborer notre théorie avec les données de transport mesurées et confirmer qu'une résistance négative existe."
Depuis plus d’une décennie, Low, Mkhoyan et Wang collaborent sur des matériaux topologiques destinés aux dispositifs et systèmes électroniques de nouvelle génération – des recherches qui n’auraient pas été possibles sans la combinaison de leurs expertises respectives en théorie et en calcul, en croissance et caractérisation des matériaux et en fabrication de dispositifs. « L'étude d'un sujet aussi important et stimulant nécessite non seulement une vision inspirante, mais aussi une grande patience et un groupe de membres d'équipe dévoués dans quatre disciplines, ce qui permettra de faire passer cette technologie du laboratoire à l'industrie », a déclaré Wang.