Une nouvelle classe de matériaux 2D affiche une onde de densité de charge stable à température ambiante

Les matériaux quantiques ont suscité un intérêt considérable pour les applications informatiques au cours des dernières décennies, mais les propriétés quantiques non triviales, comme la supraconductivité ou le spin magnétique, restent fragiles.

« Lors de la conception de matériaux quantiques, le jeu est toujours une lutte contre le désordre », a déclaré Robert Hovden, professeur agrégé de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université du Michigan.

La chaleur est la forme de désordre la plus courante qui perturbe les propriétés quantiques. Les matériaux quantiques ne présentent souvent des phénomènes exotiques qu’à très basse température, lorsque l’atome cesse presque de vibrer, permettant ainsi aux électrons environnants d’interagir les uns avec les autres et de se réorganiser de manière inattendue. C’est pourquoi des ordinateurs quantiques sont actuellement développés dans des bains d’hélium liquide à −269 °C, soit environ -450 F. Cela représente seulement quelques degrés au-dessus de zéro Kelvin (-273,15 °C).

Les matériaux peuvent également perdre leurs propriétés quantiques lorsqu’ils sont exfoliés de la 3D à une seule couche d’atomes 2D, une minceur particulièrement intéressante pour le développement de dispositifs à l’échelle nanométrique.

Aujourd’hui, une équipe de recherche dirigée par l’Université du Michigan a développé une nouvelle façon d’induire et de stabiliser un phénomène quantique exotique appelé onde de densité de charge à température ambiante. Ils ont essentiellement identifié une nouvelle classe de matériaux 2D. Les résultats sont publiés dans Communications naturelles.

« Il s’agit de la première observation d’une onde de densité de charge ordonnée et en deux dimensions. Nous avons été choqués de constater que non seulement elle présente une onde de densité de charge en deux dimensions, mais que l’onde de densité de charge est considérablement améliorée », a déclaré Hovden.

Plutôt que l’approche typique consistant à exfolier et à décoller des couches atomiques individuelles pour créer un matériau 2D, les chercheurs ont fait croître le matériau 2D à l’intérieur d’une autre matrice. Ils ont surnommé la nouvelle classe de matériaux «endotaxiaux», à partir des racines grecques «endo», signifiant à l’intérieur, et «taxis», signifiant de manière ordonnée.

Les chercheurs ont travaillé avec un cristal métallique, le disulfure de tantale (TaS2), qui, comme tout cristal, possède des atomes ordonnés selon un motif semblable à des balles de ping-pong soigneusement disposées dans toutes les directions. Ils ont observé qu’à mesure que le matériau grandissait, les électrons de la couche cristalline 2D TaS2 prise en sandwich se regroupaient spontanément pour former leur propre cristal, appelé cristal de charge ou onde de densité de charge, un motif répétitif dans la distribution des électrons dans un matériau solide.

À mesure que les électrons s’agglutinent et cristallisent, leur mouvement est restreint et le métal ne conduit plus bien l’électricité. Sans modifier la chimie du matériau, la formation de cristaux de charge a converti le matériau de conducteur en isolant. Ce phénomène quantique exotique pourrait s’avérer utile en tant que transistor dans l’informatique classique ou quantique, agissant comme une porte pour contrôler le flux de tension.

« Cela ouvre l’idée que la synthèse endotaxiale pourrait être une stratégie importante pour stabiliser les états quantiques fragiles dans les plages de températures normales dans lesquelles nous existons », a déclaré Suk Hyun Sung, premier auteur de l’article et doctorant de l’Université du Michigan et actuellement postdoctorant à l’Université du Michigan. l’Institut Rowland de l’Université Harvard.

Munis d’un cristal de charge stable à température ambiante, les chercheurs ont décidé de le chauffer pour observer les changements.

« Il est commandé à des températures étonnamment élevées. Non seulement à température ambiante, mais si vous le chauffez au-delà du point d’ébullition de l’eau, il présente toujours une onde de densité de charge », a déclaré Hovden.

Les chercheurs ont finalement observé que le cristal de charge fondait tandis que le matériau restait solide, supprimant ainsi l’état quantique.

Des expériences comme celle-ci font progresser notre compréhension fondamentale des matériaux quantiques, ce qui est essentiel alors que les chercheurs travaillent à exploiter des phénomènes quantiques exotiques pour des solutions techniques.

« Les matériaux quantiques vont perturber à la fois l’informatique classique et quantique », a déclaré Hovden.

Les deux domaines sont bloqués, dit Hovden. L’informatique classique a épuisé toutes les possibilités du silicium et l’informatique quantique ne peut actuellement fonctionner qu’à des températures extrêmement basses. Ils ont besoin de matériaux quantiques pour avancer.

Pour l’instant, cette recherche jette les bases de la découverte de nouveaux matériaux quantiques utilisant la synthèse endotaxiale et offre la promesse de stabiliser les propriétés quantiques à des températures plus pratiques.