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Mélanger un cocktail de topologie et de magnétisme pour l’électronique du futur

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Une nouvelle étude met en lumière les hétérostructures d’isolants topologiques et de matériaux magnétiques, où l’interaction du magnétisme et de la topologie peut donner lieu à des phénomènes quantiques exotiques. Des phénomènes qui constituent ainsi des éléments de base prometteurs pour la future électronique à faible puissance. Si des matériaux candidats appropriés sont trouvés, un « cocktail » de physique topologique et de magnétisme pourrait produire ces états clés à température ambiante et sans aucun champ magnétique. Ce qui en ferait par conséquent une alternative viable à l’électronique CMOS actuelle, à très faible consommation d’énergie.

Une nouvelle revue de Monash met en lumière les recherches récentes sur les hétérostructures d’isolants topologiques et de matériaux magnétiques. Dans ces hétérostructures, l’interaction intéressante entre le magnétisme et la topologie peut donner lieu à de nouveaux phénomènes. Des phénomènes tels que les isolants Hall anomaux quantiques, les isolants axioniques et les skyrmions. Tous ces phénomènes sont en effet des éléments prometteurs pour l’électronique à faible puissance de demain.

« Notre objectif était d’étudier de nouvelles méthodes prometteuses pour obtenir l’effet Hall quantique », explique l’auteur principal de la nouvelle étude, le Dr Semonti Bhattacharyya, de l’université Monash.

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Le EHQ ou Effet Hall Quantique

L’effet Hall quantique (EHQ) est un phénomène topologique qui permet aux électrons à grande vitesse de circuler à la périphérie d’un matériau. Ce qui est par conséquent potentiellement utile pour l’électronique à faible consommation d’énergie et la spintronique.

Toutefois « l’effet Hall quantique nécessite toujours des champs magnétiques élevés. Des champs impossibles sans une utilisation d’énergie élevée ou un refroidissement cryogénique. »

« Il ne sert à rien de développer une électronique “basse énergie” qui consomme plus d’énergie pour la faire fonctionner ! », déclare le Dr Bhattacharyya, chargé de recherche à FLEET, à la recherche d’une nouvelle génération d’électronique basse énergie.

Cependant, un « cocktail » de physique topologique et de magnétisme peut permettre d’obtenir un effet similaire, l’effet Hall anomal quantique. L’effet où des états limites similaires apparaissent sans appliquer de champ magnétique externe.

Plusieurs stratégies ont été suivies pour induire le magnétisme dans les isolants topologiques :

  1. en incorporant une impureté magnétique,
  2. en utilisant des isolants topologiques intrinsèquement magnétiques
  3. et en induisant le magnétisme par un effet de proximité dans des hétérostructures isolant topologique — isolant magnétique.

« Dans notre revue, nous nous sommes concentrés sur les recherches scientifiques récentes sur les hétérostructures selon la troisième approche », explique le Dr Golrokh Akhgar (FLEET/Monash), co-auteur de l’étude. Il s’agit d’une structure unique comprenant des couches minces d’isolants topologiques et de matériaux magnétiques adjacentes les unes aux autres. Des couches permettant donc à l’isolant topologique d’emprunter les propriétés magnétiques de son voisin.

Les avantages de cette nouvelle étude

Cette approche permet aux chercheurs de régler chaque type de matériau. Par exemple en augmentant la température critique pour le matériau magnétique, en augmentant la bande interdite. Et aussi en diminuant les états de défaut dans les matériaux topologiques.

« Nous pensons que cette approche pour induire le magnétisme dans les isolants topologiques est la plus prometteuse pour de futures percées. En effet, le magnétisme et la topologie se règlent individuellement dans deux matériaux différents. Ce qui permet d’optimiser les deux à notre avantage », explique le co-auteur Matt Gebert (FLEET/Monash).

Une autre caractéristique importante de cette hétérostructure est que le magnétisme induit ne dépend que des moments magnétiques du plan le plus proche à l’intérieur du matériau magnétique. Les matériaux magnétiques ne doivent donc pas nécessairement concerner les ferromagnétiques : des ferrimagnétiques ou des antiferromagnétiques peuvent également s’utiliser. Cela augmente le nombre de matériaux magnétiques candidats. Ce qui permet de choisir des matériaux présentant un magnétisme à des températures plus élevées, pour un fonctionnement plus proche de la température ambiante.

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