Dans une avancée technologique remarquable, des chercheurs de l’Université de Twente ont démontré que le germanène, un matériau bidimensionnel constitué d’atomes de germanium, agit comme un isolant topologique. Cette découverte fait du germanène le premier isolant topologique 2D constitué d’un seul élément.
Doté d’une capacité unique à basculer entre les états ‘allumé‘ et ‘éteint‘, le germanène pourrait ouvrir la voie à des dispositifs électroniques plus économes en énergie.
Les isolants topologiques sont des matériaux aux propriétés exceptionnelles : ils isolent l’électricité à l’intérieur tout en la conduisant le long de leurs bords, permettant ainsi un flux de courant sans perte d’énergie. « A l’heure actuelle, les appareils électroniques dissipent beaucoup d’énergie sous forme de chaleur, du fait de défauts dans le matériau qui augmentent la résistance. C’est pour cette raison que votre téléphone portable peut devenir désagréablement chaud« , explique Pantelis Bampoulis, chercheur à l’Université de Twente.
Dans les matériaux ordinaires, les défauts peuvent provoquer une diffusion d’électrons, mais sur les bords des isolants topologiques 2D, cette dispersion est interdite grâce à un mécanisme de protection topologique unique. Ainsi, le courant électrique dans les isolants topologiques 2D circule sans dissipation d’énergie, les rendant plus efficaces énergétiquement que les matériaux électroniques actuels.
La création du germanène est un processus intrigant.
« Les isolants topologiques actuels sont constitués de structures complexes formées de différents types d’éléments. Le germanène est unique en ce sens qu’il est fabriqué à partir d’un seul élément« , déclare Bampoulis. Pour obtenir ce matériau innovant, les chercheurs ont fusionné du germanium avec du platine. Une fois le mélange refroidi, une fine couche d’atomes de germanium s’est organisée en une structure de nid d’abeille sur l’alliage germanium-platine, créant ainsi le germanène.
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Une autre caractéristique fascinante du germanène est la capacité d’ajuster ses propriétés conductrices. Les chercheurs ont découvert que l’on peut interrompre la conduction en appliquant un champ électrique, une propriété unique pour un isolant topologique. « La possibilité de basculer entre les états ‘allumé’ et ‘éteint’ ouvre une application passionnante pour le germanène« , déclare Bampoulis.
Ce phénomène suggère la possibilité de concevoir des transistors à effet de champ topologiques, qui pourraient remplacer les transistors traditionnels dans les dispositifs électroniques, donnant ainsi naissance à des appareils qui ne surchauffent plus.
Les résultats sont publiés dans Physical Review Letters (« Quantum Spin Hall States and Topological Phase Transition in Germanene« ).
Illustration artistique des canaux de bord sans dissipation. (Image : Ella Marushchenko)
