Des chercheurs de l’Université de Twente ont prouvé que le germanène, un matériau bidimensionnel composé d’atomes de germanium, se comporte comme un isolant topologique. C’est le premier isolant topologique 2D constitué d’un seul élément. Il a également la capacité unique de basculer entre les états « on » et « off », comparable aux transistors. Cela pourrait conduire à une électronique plus économe en énergie.
Les isolants topologiques sont des matériaux ayant la propriété unique d’isoler l’électricité à l’intérieur tout en conduisant l’électricité le long de leurs bords. Les bords conducteurs permettent au courant électrique de circuler sans perte d’énergie. « Actuellement, les appareils électroniques perdent beaucoup d’énergie sous forme de chaleur, car les défauts du matériau augmentent la résistance. En conséquence, votre téléphone portable peut devenir inconfortablement chaud », explique Pantelis Bampoulis, chercheur à l’UT.
Alors que la diffusion aux défauts est autorisée dans les matériaux normaux, aux bords des isolants topologiques 2D, la diffusion des électrons aux défauts est interdite en raison du mécanisme de protection topologique unique. Par conséquent, le courant électrique dans les isolateurs topologiques 2D circule sans dissiper d’énergie. Cela les rend plus économes en énergie que les matériaux électroniques actuels.
Le germanène est un tel isolant topologique 2D. « Les isolants topologiques actuels sont constitués de structures complexes à partir de différents types d’éléments. Le germanène est unique en ce sens qu’il est composé d’un seul élément », explique Bampoulis. Pour créer ce matériau passionnant, les chercheurs ont fondu du germanium avec du platine. Lorsque le mélange s’est refroidi, une minuscule couche d’atomes de germanium s’est disposée en un réseau en nid d’abeille au-dessus de l’alliage germanium-platine. Cette couche 2D d’atomes est appelée germanène.
Les chercheurs ont également découvert que les propriétés conductrices du matériau peuvent être « désactivées » en appliquant un champ électrique. Cette propriété est unique pour un isolant topologique. « La possibilité de basculer entre les états ‘on’ et ‘off’ ajoute un cas d’application passionnant pour le germanène », déclare Bampoulis. Il ouvre la voie à la conception de transistors à effet de champ topologiques. Ces transistors pourraient remplacer les transistors traditionnels dans les appareils électroniques. D’où une électronique qui ne chauffe plus.
La recherche est publiée dans la revue Lettres d’examen physique.
Plus d’information:
Pantelis Bampoulis et al, États de Hall de spin quantique et transition de phase topologique dans le germanène, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.196401