Les scientifiques qui étudient un matériau quantique prometteur sont tombés sur une surprise : dans sa structure cristalline, le matériau forme naturellement l’une des jonctions semi-conductrices les plus fines au monde, un élément constitutif de la plupart des appareils électroniques modernes. La jonction ne fait que 3,3 nanomètres d’épaisseur, soit environ 25 000 fois plus fine qu’une feuille de papier.
« Cela a été une grande surprise », a déclaré le professeur adjoint Shuolong Yang. « Nous ne cherchions pas à créer cette jonction, mais le matériau en a créé une de lui-même, et c’est l’une des plus fines que nous ayons jamais vues. »
Cette découverte offre un moyen de construire des composants électroniques ultra-miniaturisés et permet également de mieux comprendre le comportement des électrons dans les matériaux conçus pour des applications quantiques.
Électrons inégaux
Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’université de Chicago (UChicago PME) et de l’université d’État de Pennsylvanie ont étudié les propriétés électroniques du MnBi₆Te₁₀, un type de substances topologiques connues pour leurs propriétés inhabituelles, comme le fait de laisser l’électricité circuler librement le long de ses bords sans aucune résistance. Les scientifiques espèrent que cette catégorie de matériaux topologiques pourra un jour être utilisée dans des ordinateurs quantiques ou des dispositifs électroniques ultra-efficaces.
Mais pour fonctionner correctement, les matériaux comme le MnBi₆Te₁₀ doivent avoir des électrons soigneusement équilibrés et répartis. L’équipe pensait avoir atteint le bon équilibre en modifiant la composition chimique du matériau et en ajoutant de l’antimoine au MnBi₆Te₁₀. Des tests électriques réguliers ont confirmé que le matériau était globalement neutre.
L’équipe de Yang a alors regardé de plus près, en utilisant une technique appelée spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle (trARPES), qui utilise des impulsions laser ultrarapides pour observer comment les électrons sont répartis et comment leurs niveaux d’énergie se déplacent en temps réel. Les scientifiques ont observé quelque chose d’inattendu. À l’intérieur de chaque couche répétitive du cristal, d’une épaisseur de quelques atomes seulement, les électrons n’étaient pas répartis uniformément. Au contraire, ils s’agglutinaient dans certaines parties et en laissaient d’autres avec moins d’électrons. Cela a créé de minuscules champs électriques intégrés dans le matériau.
« Dans un matériau quantique idéal, la distribution des charges doit être vraiment uniforme », explique Khanh Duy Nguyen, étudiant diplômé de l’UChicago PME et premier auteur de ce nouveau travail. « Le fait de voir cette distribution inégale suggère que nous pourrions ne pas permettre les applications quantiques de la manière prévue à l’origine, mais révèle cet autre phénomène vraiment utile ».
Ces minuscules régions agissent comme des jonctions p-n, un type de jonction semi-conductrice qui contient des champs électriques internes et qui est utilisé pour construire des diodes, semblables à celles que l’on trouve dans l’électronique de tous les jours, comme les téléphones et les ordinateurs. Mais contrairement aux jonctions p-n fabriquées, celles-ci se forment naturellement dans le cristal lui-même.
Une aubaine pour les applications quantiques et électroniques
Étant donné que la nouvelle jonction p-n qui se forme naturellement est également très sensible à la lumière, elle pourrait être utile pour l’électronique de la prochaine génération, y compris la spintronique, un type de technologie qui stocke et manipule des données en utilisant le spin magnétique d’un électron plutôt que sa charge.
En modélisant ce qui se passait dans la structure cristalline du MnBi₆Te₁₀, Nguyen, Yang et leurs collègues ont pu formuler une hypothèse sur la formation des jonctions p-n. Ils pensent que l’introduction d’antimoine dans le MnBi₆Te₁₀ entraîne un échange entre les atomes de manganèse et d’antimoine, ce qui provoque des différences de charge dans l’ensemble du matériau.
Si cette découverte complique les efforts visant à utiliser le matériau pour certains types d’effets quantiques, elle ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l’électronique. Elle ouvre également la voie à une ingénierie plus poussée du MnBi₆Te₁₀ afin qu’il conserve des électrons uniformément répartis et qu’il puisse être utile dans l’ingénierie quantique.
L’équipe PME de l’UChicago peaufine les méthodes de fabrication de films minces du matériau, plutôt que de grands cristaux tridimensionnels. Cela pourrait leur permettre de contrôler plus précisément le comportement des électrons, soit pour améliorer les propriétés quantiques, soit pour augmenter le rendement des minuscules jonctions p-n.
« Cela démontre une fois de plus la valeur de la recherche scientifique fondamentale et de l’ouverture d’esprit quant à ses résultats », a conclu M. Yang. « Nous étions partis avec un objectif et nous avons eu une surprise qui nous a conduits dans une autre direction, vraiment passionnante. »
Légende illustration : Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’université de Chicago, dont le professeur adjoint Shuolong Yang (à gauche) et l’étudiant diplômé Khanh Duy Nguyen, ont découvert l’une des jonctions semi-conductrices les plus fines au monde se formant naturellement au sein d’un matériau quantique prometteur. (Photo de John Zich)
Article : “Spectroscopic evidence of intra-unit-cell charge redistribution in a charge-neutral magnetic topological insulator,” Nguyen et al, Nanoscale, April 2, 2025. DOI: 10.1039/d4nr04812a
