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Un nouvel isolant topologique pour la spintronique, et pour l’informatique quantique

Spintronique et électricité à basse consommation se rapprochent

Des scientifiques de l’EPFL ont découvert un nouvel isolant topologique, qui pourrait être utilisé dans de futures technologies électroniques.

Les isolants topologiques sont des matériaux qui laissent passer le courant électrique sur leur surface, mais l’empêchent de passer par leur volume intérieur. Cette propriété exotique ouvre pour les isolants topologiques des perspectives très prometteuses pour l’électricité, en réduisant les pertes d’énergie, pour la spintronique, et peut­être même pour l’informatique quantique. Des scientifiques de l’EPFL ont identifié une nouvelle classe d’isolants topologiques, et ont découvert sa première représentation matérielle, ce qui pourrait accélérer la mise en œuvre d’isolants topologiques dans diverses applications. L’étude, réalisée dans le cadre du NCCR Marvel, projet conduit par l’EPFL, est publiée dans Nature Materials (http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4488.html).

Les promesses technologiques des isolants topologiques ont suscité un important effort de recherche en vue de trouver des matériaux artificiels de nature optimale, possédant de telles propriétés. Une telle recherche implique un travail théorique capable de prédire les propriétés de la structure d’un matériau particulier. Les matériaux «candidats», qui sont identifiés au moyen de simulations informatiques, sont ensuite soumis à un examen expérimental pour déterminer si leurs propriétés d’isolant topologique répondent aux prédictions théoriques.

C’est le travail accompli par le laboratoire d’Oleg Yazyev à l’Institut de Physique Théorique de l’EPFL, en collaboration avec des collègues expérimentalistes du monde entier. En testant de manière théorique les candidats potentiels issus de la base de données de matériaux décrits auparavant, l’équipe a identifié un matériau, décrit comme une «phase cristalline» du iodure de bismuth, comme le premier élément d’une nouvelle classe d’isolants topologiques. Ce qui rend ce matériaux particulièrement intéressant est le fait que sa structure atomique ne ressemble à celle d’aucun autre isolant topologique connu à ce jour, ce qui rend ses propriétés très différentes aussi.

Un avantage certain du iodure de bismuth est que sa structure est mieux ordonnée que celle d’isolants topologiques déjà connus, et avec moins de défauts naturels. Pour avoir un intérieur isolant, un matériau doit avoir aussi peu de défauts structurels que possible. «Ce que nous voulons, c’est faire passer du courant en surface mais pas à l’intérieur», explique Oleg Yazyev. «En théorie, cela peut sembler facile, mais en pratique vous avez toujours des défauts. Vous devez donc trouver un nouveau matériau présentant le moins de défauts possible.» L’étude montre que ces tout premiers échantillons de iodure de bismuth apparaissent très purs, avec de très petites concentrations d’imperfections structurelles.

Après avoir caractérisé le iodure de bismuth au moyen d’outils théoriques, les scientifiques l’ont testé expérimentalement avec une série de méthodes. La démonstration principale est issue d’une technique expérimentale directe appelée «spectroscopie à résolution angulaire». Cette méthode, qui permet aux chercheurs de «voir» les états électroniques à la surface du matériau solide, est devenue une technique­clé pour prouver la nature topologique des états électroniques à la surface des matériaux.

Les mesures, effectuées au Lawrence Berkeley National Lab, s’avèrent totalement conformes aux prédictions théoriques effectuées par Gabriel Autès, post­doctorant au laboratoire de Yazyev et auteur principal de l’étude. Les calculs de structure électronique ont été réalisés au Centre national suisse de calcul scientifique, tandis que les analyses de données ont impliqué de nombreux scientifique de l’EPFL et d’autres institutions.

«Cette étude a commencé comme étant de la théorie, puis est passée par toute la chaîne de vérification expérimentale», dit Yazyev. «Pour nous, c’est un effort de collaboration très important». Son laboratoire explore maintenant de manière approfondie les propriétés du iodure de bismuth, ainsi que des matériaux présentant des structures similaires. Simultanément, d’autres laboratoires se joignent à cet effort pour confirmer la théorie derrière la nouvelle classe d’isolants topologiques et continuer les démarches expérimentales.

Cette étude a été réalisée dans le cadre de NCCR Marvel, un projet de recherche sur la conception et la découverte de nouveaux matériaux, créé par le Fonds National Suisse et dirigé par l’EPFL. 33 laboratoires issus de 11 institutions suisses en font partie. Le travail présenté ici a vu la collaboration de l’Institut de physique théorique et Institut de Physique de la Matière Condensée de l’EPFL, avec l’Université Technique de Dresde; le Lawrence Berkeley National Laboratory; the University of California, Berkeley; Lomonosov Moscow State University; Ulm University; Yonsei University; Pohang University of Science and Technology; et l’Institute for Basic Science, Pohang. L’étude a été financée par le Fonds National Suisse, l’ERC, NCCR­MARVEL, la Deutsche Forschungsgemeinschaft, le Département américain de l’énergie, et la Fondation Carl­Zeiss.

Spintronique et magnéto-résistance géante

L’électronique repose sur une propriété essentielle de l’électron : sa charge électrique et le courant qu’elle produit en se déplaçant. La spintronique – ou électronique de spin – permet d’exploiter une propriété supplémentaire de l’électron, son moment magnétique (ou “spin”). C’est une technologie émergente aux nombreuses applications dans le domaine du stockage des données. Le spin de l’électron est une sorte de minuscule aimant qui peut s’orienter soit vers le haut, soit vers le bas (états “up” et “down”). Dans un matériau aimanté, le déplacement d’un électron va dépendre fortement de l’orientation du spin de l’électron par rapport à l’aimantation du matériau. Les électrons de spin parallèle à l’aimantation ont un déplacement facilité : le matériau est dit peu résistant ; à l’inverse, la résistance du matériau est augmentée pour des électrons de spin antiparallèle .

En superposant des couches ultra-minces de matériaux ferromagnétiques (comme le Fer ou le Nickel) dont les aimantations individuelles peuvent être modifiées par un champ magnétique externe, on crée un composant dont la résistance varie avec l’intensité du champ magnétique ambiant (via l’orientation relative de l’aimantation des couches) : c’est le principe de la magnéto-résistance géante, première application de la spintronique. La spintronique a de très nombreuses applications potentielles. Par l’action d’un courant d’électrons de même spin (un courant polarisé en spin), on peut produire un renversement d’aimantation dans un matériau ferromagnétique. Avec un microscope à effet tunnel, il est même possible de modifier le spin d’atomes individuels ! A terme, la spintronique permettra de coder et de stocker l’information de manière beaucoup plus dense et compacte que l’électronique traditionnelle.

Reference

Autès G, Isaeva A, Moreschini L, Johannsen JC, Pisoni A, Mori R, Zhang W, Filatova TG, Kuznetsov AN, Forró L, Van den Broek W, Kim Y, Kim KS, Lanzara A, Denlinger JD, Rotenberg E, Bostwick A, Grioni M, Yazyev OV. A Novel Quasi­One­Dimensional Topological Insulator in Bismuth Iodide β­Bi4I4. Nature Materials 14 December 2015. DOI: 10.1038/nmat4488

Spintronique

États de surface topologiques dans l’iodure de bismuth © O. Yazyev (EPFL)

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