Un plan en zigzag pour l’électronique topologique


Un plan en zigzag pour l'électronique topologique

Les couches bidimensionnelles d’éléments du groupe IV et du groupe V (xène 2D) sont des isolants topologiques. Crédit photo : FLOTTE

Une étude collaborative menée par l’Université de Wollongong confirme le mécanisme de commutation d’une nouvelle génération proposée d’électronique à très faible consommation.

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), permettant au courant électrique de circuler le long de ses états de bord sans gaspiller d’énergie.

Une telle électronique topologique pourrait réduire radicalement la consommation d’énergie des ordinateurs et de l’électronique, qui consomme environ 8 % de la consommation mondiale d’électricité et double chaque décennie.

Sous la direction du Dr. Muhammad Nadeem de l’Université de Wollongong (UOW) a également apporté à l’étude l’expertise du personnel du FLEET Center de l’UNSW et de l’Université Monash.

Résoudre le défi de la commutation

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

Cependant, un défi majeur dans 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 FLEET multi-nœuds et interdisciplinaire a étudié la dépendance à la largeur des propriétés électroniques pour confirmer qu’une classe de matériaux connue sous le nom de nanorubans Xen en zigzag répondrait aux conditions nécessaires au fonctionnement, à savoir :

  1. Les états de bord chiraux filtrés par spin dans les nanorubans Xen en zigzag restent sans espace et protégés de la rétrodiffusion
  2. La tension de seuil requise pour basculer entre les états de bord sans espace et avec espace diminue avec la diminution de la largeur du matériau, sans limite inférieure fondamentale
  3. La commutation topologique entre les états de bord peut être réalisée sans que la bande interdite en vrac (c’est-à-dire interne) ne se ferme et ne s’ouvre à nouveau
  4. Les nanorubans Xen en zigzag confinés quantiques peuvent alimenter l’avancement des technologies informatiques topologiques à très faible consommation d’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’abeille. Les propriétés topologiques et électroniques sont maintenant étudiées pour des feuilles de nid d’abeilles similaires fabriquées à partir de matériaux du groupe IV et du groupe V, collectivement appelés xène 2D.

Les xènes 2D sont des isolants topologiques – c’est-à-dire électriquement isolants à l’intérieur mais conducteurs sur leurs bords où les électrons peuvent être transférés sans perte d’énergie (similaire à un supraconducteur). Lorsqu’une feuille Xen 2D est découpée en un ruban étroit se terminant par des bords « zigzag », appelés nanorubans Xen zigzag, elle conserve les modes de bord conducteurs caractéristiques d’un isolant topologique, dont on pense qu’ils conservent leur capacité à conduire l’électricité sans dissipation.

Il a récemment été démontré que les nanorubans Zigzag Xene avaient le potentiel de fabriquer un transistor topologique capable de réduire l’énergie de commutation d’un facteur quatre.

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

Préserver les états Edge

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

« Les nanorubans de xène en zigzag confinés quantiques sont une classe spéciale de matériaux isolants topologiques dans lesquels l’écart d’énergie de l’échantillon en vrac augmente avec la largeur décroissante, tandis que la conduction à l’état de bord reste robuste contre la dissipation, même lorsque la largeur est réduite à un quasi-un- dimension un », explique les chercheurs de FLEET et les collaborateurs de la nouvelle étude, le professeur agrégé Dmitrie Culcer (UNSW).« Cette caractéristique des nanorubans Xene en zigzag confinés contraste fortement avec d’autres matériaux isolants topologiques 2D, où 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 avec la diminution de la largeur du matériau, sans limite inférieure fondamentale.

« Un nanoruban de Xene en zigzag 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 changement de régulateur de tension », explique l’auteur principal, le Dr Muhammad Nadeem. (UOW).

« L’adaptation souhaitée d’un régulateur de tension diminue à mesure que la largeur des nanorubans de xène en zigzag diminue, et une tension de fonctionnement inférieure signifie que l’appareil peut consommer moins d’énergie. La réduction du réglage du bouton de tension résulte d’un effet quantique relativiste appelé couplage spin-orbite, et contraste fortement avec les nanorubans de xène en zigzag immaculés, qui sont des isolants ordinaires et où le réglage du bouton de tension souhaité augmente avec la largeur décroissante.

Commutation topologique sans fermeture de bande interdite en bloc

Lorsque la largeur des nanorubans Xene en zigzag est inférieure à une limite critique, la commutation topologique entre les états de bord peut être obtenue sans fermer ni rouvrir la bande interdite en vrac. Ceci est principalement dû à l’effet de confinement quantique sur le spectre de la bande de , qui augmente la bande interdite de volume non triviale avec une largeur décroissante.

« Ce comportement est nouveau et différent des isolateurs topologiques 2D, où la fermeture et la réouverture de la bande interdite sont toujours nécessaires pour modifier l’état topologique », explique le professeur Michael Fuhrer (Monash). « Les nanorubans Xen en zigzag large se comportent davantage comme le cas 2D où le champ électrique de grille commute la conductivité à l’état de bord tout en fermant et en rouvrant simultanément la bande interdite en vrac. »

« En présence de couplage spin-orbite, [a] Le mécanisme de commutation topologique dans les nanorubans Xene en zigzag à large espacement transforme la sagesse commune d’utiliser des matériaux à canal large et à espace étroit pour abaisser la tension de seuil sur sa tête dans une analyse de transistor à effet de champ standard « , déclare le professeur Xiaolin Wang (UOW ).

« Et en outre, [a] Un transistor à effet de champ quantique topologique utilisant des nanorubans de xène en zigzag comme matériau de canal présente plusieurs avantages en termes de complexité technique dans la conception et la fabrication », déclare le professeur Alex Hamilton (UNSW).

Contrairement à la MOSFET, où la dépendance à l’amplitude de la tension de seuil est étroitement liée aux 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 Xene en zigzag, liée aux fonctionnalités mécaniques topologiques et quantiques.

Outre des mécanismes de conduction et de commutation complètement différents, les aspects technologiques requis pour fabriquer un transistor à effet de champ quantique topologique avec des nanorubans Xen en zigzag sont également radicalement différents de ceux des MOSFET : Tension TQFET avec un mécanisme de commutation économe en énergie.

Tout en maintenant la robustesse topologique de l’état ON et une tension de seuil minimale, la largeur du canal peut être réduite à pratiquement une dimension. Cela permet une géométrie optimisée pour un transistor à effet de champ quantique topologique avec un rapport signal/bruit amélioré sur plusieurs canaux d’état de bord.


Changer de mode de conduction – un pas vers les transistors topologiques


Plus d’information:
Muhammad Nadeem et al, Optimisation de la commutation topologique dans des nanorubans de xène 2D confinés via des effets de taille finie, Examens de physique appliquée (2022). DOI : 10.1063/5.0076625

citation: Un en zigzag pour l’électronique topologique (2022, 9 ), récupéré le 9 mars 2022 sur https://phys.org/news/2022-03-zigzag-blueprint-topological-electronics.html

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