Un plan en « zigzag » pour l’électronique topologique

Basés sur de nouveaux matériaux topologiques quantiques, de tels dispositifs feraient passer un isolant topologique d’un état non conducteur (isolant électrique conventionnel) à un état conducteur (isolant topologique), dans lequel le courant électrique pourrait circuler le long de ses états de bord sans perte d’énergie.

Une telle électronique topologique pourrait réduire radicalement l’énergie consommée dans l’informatique et l’électronique, dont on estime qu’elle consomme 8 % de l’électricité mondiale, et qu’elle double chaque décennie.

Dirigée par le Dr Muhammad Nadeem de l’Université de Wollongong (UOW), l’étude a également fait appel à l’expertise des collaborateurs du FLEET Center de l’UNSW et de l’Université Monash.

Résoudre le défi du changement et présenter le Tqfet

Les isolants topologiques bidimensionnels sont des matériaux prometteurs pour les dispositifs électroniques quantiques topologiques où le transport d’état de bord peut être contrôlé par un champ électrique induit par la grille.

Cependant, un défi majeur avec une telle commutation topologique induite par un champ électrique a été la nécessité d’un champ électrique irréaliste pour fermer la bande interdite topologique.

L’équipe de recherche inter-nœuds et interdisciplinaire FLEET a étudié la dépendance à la largeur des propriétés électroniques pour confirmer qu’une classe de matériaux connue sous le nom de nanorubans zigzag-Xene remplirait les conditions nécessaires au fonctionnement, à savoir :

1. Les états de bord chiraux filtrés par spin dans les nanorubans zigzag-Xene restent sans espace et protégés contre la diffusion vers l’arrière
2. La tension de seuil requise pour basculer entre les états de bord sans espace et avec espace diminue à mesure que la largeur du matériau diminue, sans aucune limite inférieure fondamentale
3. La commutation topologique entre les états de bord peut être réalisée sans la fermeture et la réouverture de la bande interdite en vrac (c’est-à-dire intérieure)
4. Les nanorubans de Xene en zigzag confinés quantiques pourraient favoriser le progrès des technologies de calcul topologique à ultra-basse énergie.

Zigzag Xenes pourrait être la clé

Le graphène a été le premier matériau atomiquement mince confirmé, une feuille 2D d’atomes de carbone (groupe IV) disposés dans un réseau en nid d’abeilles. Actuellement, les propriétés topologiques et électroniques sont étudiées pour des feuilles de nid d’abeilles similaires de matériaux du groupe IV et du groupe V, collectivement appelés 2D-Xenes.

Les xènes 2D sont des isolants topologiques, c’est-à-dire électriquement isolants à l’intérieur mais conducteurs le long de leurs bords, où les électrons sont transmis sans dissiper d’énergie (similaire à un supraconducteur). Lorsqu’une feuille 2D-Xene est découpée en un ruban étroit terminé sur des bords en zigzag, appelés nanoribbons en zigzag-Xene, elle conserve les modes de bord conducteurs caractéristiques d’un isolant topologique, dont on pense qu’ils conservent leur capacité à transporter du courant sans dissipation.

Il a récemment été démontré que les nanorubans en zigzag-Xene ont le potentiel de fabriquer un transistor topologique qui peut réduire l’énergie de commutation d’un facteur quatre.

La nouvelle recherche menée par l’UOW a révélé ce qui suit :

Maintenir les états de bord Les mesures ont indiqué que les états de bord chiraux filtrés par spin dans les nanorubans zigzag-Xene restent sans espace et protégés contre la diffusion vers l’arrière qui provoque une résistance, même avec un chevauchement inter-bords fini dans des rubans ultra-étroits (ce qui signifie qu’un matériau Hall de spin quantique 2D subit une phase transition vers un métal topologique 1D.) Ceci est entraîné par les états de bord qui s’entrelacent avec les modes à énergie nulle intrinsèques pilotés par la topologie de bande.

“Les zigzag-xène-nanoribons confinés quantiques sont une classe spéciale de matériaux isolants topologiques où la bande interdite de l’échantillon en vrac augmente avec une diminution de la largeur, tandis que la conduction de l’état de bord reste robuste contre la dissipation même si la largeur est réduite à un quasi- une dimension », déclare le chercheur de FLEET et collaborateur de la nouvelle étude A/Prof Dmitrie Culcer (UNSW). “Cette caractéristique des nanoribbons confinés en zigzag-Xène contraste fortement avec d’autres matériaux isolants topologiques 2D dans lesquels les effets de confinement induisent également un écart d’énergie dans les états de bord.”

Tension de seuil basse

En raison de l’accordabilité dépendant de la largeur et de l’impulsion du couplage inter-bord induit par la grille, la tension de seuil requise pour basculer entre les états de bord sans espace et avec espace diminue à mesure que la largeur du matériau diminue, sans aucune limite inférieure fondamentale.

“Un zigzag-Xene-nanoribbon ultra-étroit peut” basculer “entre un métal topologique quasi unidimensionnel avec des états de bord conducteurs sans espace et un isolant ordinaire avec des états de bord avec un petit ajustement d’un bouton de tension, déclare l’auteur principal, le Dr Muhammad Nadeem (UOW). “Le réglage souhaité d’un bouton de tension diminue avec la diminution de la largeur des zigzag-Xene-nanoribons, et une tension de fonctionnement plus faible signifie que l’appareil peut utiliser moins d’énergie. La réduction du réglage du bouton de tension est due à un effet quantique relativiste appelé couplage spin-orbite et contraste fortement avec les nanoribbons zigzag-Xene vierges qui sont des isolants ordinaires et dans lesquels le réglage du bouton de tension souhaité augmente avec la diminution de la largeur.

Commutation topologique sans fermeture de bande interdite en bloc

Lorsque la largeur des nanorubans en zigzag-Xène est inférieure à une limite critique, la commutation topologique entre les états de bord peut être atteinte sans fermeture et réouverture de la bande interdite en vrac. Ceci est principalement dû à l’effet de confinement quantique sur le spectre de la bande en vrac, qui augmente la bande interdite en vrac non triviale avec une diminution de la largeur.

“Ce comportement est nouveau et distinct des isolants topologiques 2D, où la fermeture et la réouverture de la bande interdite sont toujours nécessaires pour changer l’état topologique”, déclare le professeur Michael Fuhrer (Monash). “Les larges zigzag-Xene-nanoribbons agissent plus comme le cas 2D, où le champ électrique de la porte change la conductance de l’état de bord tout en fermant et en rouvrant simultanément la bande interdite en vrac.”

“En présence d’un couplage spin-orbite, le mécanisme de commutation topologique dans les nanoribons zigzag-Xene confinés à grand espace renverse la sagesse générale d’utiliser des matériaux à espace étroit et à canal large pour réduire la tension de seuil dans une analyse de transistor à effet de champ standard”, déclare Professeur Xiaolin Wang (UOW).

“En outre, le transistor à effet de champ quantique topologique utilisant des nanorubans zigzag-Xene comme matériau de canal présente plusieurs avantages liés aux complexités techniques impliquées dans la conception et la fabrication”, déclare le professeur Alex Hamilton (UNSW).

Contrairement à la technologie MOSFET, dans laquelle la dépendance à la taille de la tension de seuil est enchevêtrée avec des techniques d’isolation, la réduction de la tension de seuil dans un transistor à effet de champ quantique topologique est une propriété intrinsèque des nanorubans zigzag-Xene associés à des fonctionnalités mécaniques topologiques et quantiques.

Outre des mécanismes de conduction et de commutation très différents, les aspects technologiques requis pour fabriquer un transistor à effet de champ quantique topologique avec des nanorubans zigzag-Xène diffèrent également radicalement de ceux des MOSFET : il n’y a aucune exigence fondamentale de techniques technologiques/d’isolation spécialisées pour un faible tension TQFET avec un mécanisme de commutation économe en énergie.

Avec une robustesse topologique préservée à l’état ON et une tension de seuil minimale, la largeur de canal peut être réduite à une dimension quasi unidimensionnelle. Cela permet d’optimiser la géométrie d’un transistor à effet de champ quantique topologique avec un rapport signal/bruit amélioré via plusieurs canaux d’état de bord.