Les semi-conducteurs sont au cœur de nos téléphones portables, ordinateurs portables, capteurs de voiture et équipements médicaux de pointe. Toutefois, leur performance peut être perturbée par des impuretés matérielles ou des variations de température. Une équipe de physiciens a récemment mis au point un dispositif qui pourrait changer la donne.
Un nouveau type de semi-conducteur
Les physiciens théoriques et expérimentaux du Cluster d’Excellence Würzburg-Dresden ct.qmat – Complexité et Topologie dans la Matière Quantique ont développé un dispositif semi-conducteur à base d’arséniure d’aluminium-gallium (AlGaAs). Le flux d’électrons de ce dispositif, généralement sensible aux interférences, est protégé par un phénomène quantique topologique.
« Grâce à l’effet de peau topologique, tous les courants entre les différents contacts sur le semi-conducteur quantique ne sont pas affectés par les impuretés ou d’autres perturbations externes. Cela rend les dispositifs topologiques de plus en plus attrayants pour l’industrie des semi-conducteurs. Ils éliminent le besoin de niveaux extrêmement élevés de pureté des matériaux qui augmentent actuellement les coûts de fabrication des électroniques », explique le professeur Jeroen van den Brink, directeur de l’Institut de Physique des Solides Théoriques au Institut Leibniz pour la recherche sur l’état solide et les matériaux à Dresde (IFW).
Extrêmement robuste et ultra-précis
L’utilisation de l’effet de peau topologique permet de créer de nouveaux types de dispositifs électroniques quantiques de haute performance qui pourraient également être incroyablement petits.
« Notre dispositif quantique topologique mesure environ 0,1 millimètres de diamètre, et peut être réduit encore plus facilement », révèle van den Brink.
L’aspect novateur de cette réalisation par l’équipe de physiciens de Dresde et Würzburg est qu’ils ont été les premiers à réaliser l’effet de peau topologique à une échelle microscopique dans un matériau semi-conducteur. Ce phénomène quantique a été initialement démontré à un niveau macroscopique il y a trois ans, mais seulement dans un métamatériau artificiel, pas un naturel.
Une expérimentation innovante conduit à la découverte
Le succès a été obtenu en disposant de manière créative les matériaux et les contacts sur un dispositif semi-conducteur AlGaAs, en induisant l’effet topologique dans des conditions ultra-froides et un champ magnétique fort. «Nous avons vraiment réussi à faire sortir l’effet de peau topologique du dispositif», explique van den Brink.
Depuis 2019, ct.qmat a étudié les matériaux quantiques topologiques à Würzburg et Dresde, explorant leur comportement extraordinaire dans des conditions extrêmes comme des températures ultra-basses, des pressions élevées ou des champs magnétiques forts.
En synthèse
La récente percée est également le résultat d’une collaboration soutenue entre les scientifiques des deux sites du cluster. Le nouveau dispositif quantique, conçu à l’IFW, a été un effort conjoint impliquant des physiciens théoriques de l’Universität Würzburg ainsi que des chercheurs théoriques et expérimentaux à Dresde. Après avoir été produit en France, le dispositif a été testé à Dresde.
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Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un semi-conducteur ?
Un semi-conducteur est un matériau qui peut contrôler le flux d’électrons, ce qui le rend essentiel dans les dispositifs électroniques modernes.
Qu’est-ce que l’effet de peau topologique ?
L’effet de peau topologique est un phénomène quantique qui protège le flux d’électrons dans un dispositif contre les interférences, comme les impuretés matérielles ou les variations de température.
Qu’est-ce que l’arséniure d’aluminium-gallium (AlGaAs) ?
L’arséniure d’aluminium-gallium (AlGaAs) est un matériau semi-conducteur utilisé dans la fabrication de dispositifs électroniques.
Qu’est-ce que le Cluster d’Excellence Würzburg-Dresden ct.qmat ?
Le Cluster d’Excellence Würzburg-Dresden ct.qmat est un groupe de recherche qui étudie la complexité et la topologie dans la matière quantique.
Quelles sont les applications potentielles de cette découverte ?
Cette découverte pourrait conduire à la création de nouveaux types de dispositifs électroniques quantiques de haute performance, qui sont à la fois extrêmement robustes et ultra-précis.
Références
Illustration du premier dispositif à semi-conducteur quantique où l’effet de peau topologique a été obtenu. Le flux d’électrons (cercle bleu) le long du bord assure une robustesse inégalée malgré les déformations du matériau ou d’autres perturbations externes. Ce semi-conducteur quantique représente une percée dans le développement de minuscules dispositifs électroniques topologiques. Crédit : Christoph Mäder/pixelwg
Non-Hermitian topology in a multi-terminal quantum Hall device – Ochkan, K., Chaturvedi, R., Könye, V. et al. Nat. Phys. (2024). s41567-023-02337-4
Le pôle d’excellence ct.qmat – Complexité et topologie dans la matière quantique est géré conjointement par la Julius-Maximilians-Universität (JMU) de Würzburg et la Technische Universität (TU) de Dresde depuis 2019. Plus de 300 scientifiques de plus de trente pays et de quatre continents étudient les matériaux quantiques topologiques qui révèlent des phénomènes surprenants dans des conditions extrêmes telles que des températures ultra-basses, des pressions élevées ou des champs magnétiques puissants. ct.qmat est financé par la stratégie d’excellence allemande du gouvernement fédéral et des États fédérés et est le seul pôle d’excellence en Allemagne à être basé dans deux États fédérés différents.
