Des scientifiques créent le premier "semiconducteur quantique" au monde.

Le premier dispositif semi-conducteur quantique présentant l’effet de peau topologique a été créé avec succès. Ce dispositif, dans lequel les électrons (symbolisés par un cercle bleu) circulent le long du bord, présente une résilience inégalée malgré les déformations du matériau ou autres perturbations externes. Ce semi-conducteur quantique représente une avancée significative dans la création de minuscules dispositifs électroniques topologiques. Le mérite revient à Christoph Mäder/pixelwg.

Les dispositifs semi-conducteurs, de minuscules composants qui régulent le mouvement des électrons dans les produits électroniques modernes, sont des composants essentiels d'une vaste gamme d'articles de haute technologie, tels que les téléphones portables, les ordinateurs portables et les capteurs de voiture, ainsi que les équipements médicaux avancés. Néanmoins, les impuretés du matériau ou les variations de température peuvent entraver le flux d’électrons, conduisant à une instabilité.

Le pôle d'excellence Würzburg-Dresde ct.qmat — Complexité et topologie de la matière quantique, composé de physiciens théoriciens et expérimentaux, a maintenant produit un dispositif semi-conducteur à base d'arséniure d'aluminium-gallium (AlGaAs). Cet appareil présente un phénomène quantique topologique qui protège son flux d'électrons, généralement vulnérable aux perturbations. Les résultats passionnants de cette recherche historique ont été récemment publiés dans la revue respectée Nature Physics.

Le professeur Jeroen van den Brink, directeur de l'Institut de physique théorique du solide à l'Institut Leibniz de recherche sur le solide et les matériaux à Dresde (IFW), et chercheur principal de ct.qmat, explique : « L'effet de peau topologique garantit que les courants entre les différents contacts sur le semi-conducteur quantique ne sont pas perturbés par des impuretés ou d'autres perturbations externes. Cela élimine le besoin de niveaux extrêmement élevés de pureté des matériaux, actuellement requis dans la fabrication de produits électroniques, ce qui rend les dispositifs topologiques de plus en plus recherchés dans l'industrie des semi-conducteurs.

Célèbres pour leur résilience exceptionnelle, les matériaux quantiques topologiques sont parfaitement adaptés aux applications gourmandes en énergie. « Notre semi-conducteur quantique allie stabilité et précision – une caractéristique rare. Cela positionne notre dispositif topologique comme un ajout prometteur à l’ingénierie des capteurs », déclare l’équipe.

L’équipe a utilisé l’effet de peau topologique pour développer de nouveaux types de dispositifs quantiques électroniques hautes performances qui pourraient être incroyablement petits. "Notre dispositif quantique topologique a un diamètre d'environ 0,1 millimètre et pourrait être encore plus petit", commente van den Brink. La réalisation de l'équipe de Dresde et de Würzburg est la première réalisation réussie de l'effet de peau topologique à l'échelle microscopique, dans un matériau semi-conducteur. Ce phénomène quantique a été initialement observé à des niveaux macroscopiques il y a trois ans, mais uniquement dans des métamatériaux artificiels et non naturels. Ce développement est la première fois qu’un dispositif quantique topologique, à la fois robuste et ultra-sensible, est créé à l’aide d’un minuscule semi-conducteur.

Selon van den Brink, « dans notre dispositif quantique, la relation courant-tension est sauvegardée par l’effet de peau topologique car les électrons sont confinés au bord. Même s’il y a des impuretés, le flux de courant reste stable. Il ajoute : « De plus, les contacts peuvent détecter les moindres changements de courant ou de tension. Cela rend le dispositif quantique topologique particulièrement apte à produire des capteurs et des amplificateurs de haute précision avec des diamètres extrêmement petits. »

En configurant intelligemment les matériaux et les contacts sur le dispositif semi-conducteur AlGaAs, l'effet topologique a été induit dans des conditions de froid extrême et un champ magnétique puissant. «Nous avons mis en évidence l'effet de peau topologique de l'appareil», explique van den Brink. L’équipe a utilisé une structure semi-conductrice bidimensionnelle dans laquelle la résistance électrique pouvait être mesurée au niveau des bords de contact, révélant directement l’effet topologique.

Depuis 2019, ct.qmat étudie les matériaux quantiques topologiques à Würzburg et Dresde, étudiant leur comportement inhabituel dans des conditions extrêmes telles que des températures ultra-basses, des pressions élevées ou des champs magnétiques puissants.

Ce récent succès est dû à la collaboration persistante entre les scientifiques des deux sites. Le nouveau dispositif quantique, développé à l'IFW, est le fruit d'efforts de coopération impliquant des physiciens théoriciens de l'Universität Würzburg et des chercheurs théoriques et expérimentaux de Dresde. Suite à sa fabrication en France, l'appareil a été testé à Dresde. Van den Brink et ses collègues se concentrent désormais activement sur la poursuite des recherches sur ce phénomène, dans le but de l'exploiter pour les innovations technologiques à venir.