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Le stanène, premier « supraconducteur » à température ambiante ?

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Inspirés par le graphène, des physiciens ont simulé sur ordinateur le comportement d'un feuillet constitué d'atomes d'étain et de fluor. Baptisé stanène, ce matériau se comporterait comme un isolant topologique doué de propriétés de conduction faisant penser à un supraconducteur. Bien qu'il ne soit pas supraconducteur au sens strict, le stanène n'opposerait aucune résistance à la conduction de l'électricité à température ambiante.

En ajoutant des atomes de fluor (en jaune) à un feuillet d'atomes d'étain (en gris), on obtiendrait un nouvel isolant topologique aux propriétés remarquables. Baptisé stanène, il conduirait l’électricité sans résistance le long de ses bords (flèches bleues et rouges) à des températures allant jusqu'à 100 °C. Il ne s'agit pour le moment que de prédictions théoriques sur ordinateur. © Yong Xu, Tsinghua University, Greg Stewart, Slac

Les isolants topologiques suscitent la curiosité de nombreux scientifiques en raison de leurs propriétés de conduction électrique remarquables qui laissent présager la réalisation de composants électroniques plus rapides. À l'intérieur, un tel matériau se comporte comme un isolant, mais sa surface conduit le courant électrique.

C'est presque par hasard que leur découverte a eu lieu. Elle a d'abord été théorique, lorsque le physicien Charles Kane a étudié de plus près la conduction des électrons dans un feuillet de graphène. Le chercheur s'est rendu compte que cette conduction pouvait se produire d'une façon qui rappelait le fameux effet Hall quantique, observé pour la première fois en 1980. Mais en l'occurrence, il n'y avait pas besoin de refroidir un matériau à très basse température et de le plonger dans un champ magnétique.

Isolants topologiques et ordinateurs quantiques

En poussant ses investigations, Kane a montré que le phénomène était subtilement différent, et qu'il pouvait se produire avec d'autres structures en deux dimensions. Ce résultat a retenu l'attention de Joel Moore, qui l'a étendu à des structures en 3D. Comme l'analyse mathématique du phénomène de conduction par Kane faisait intervenir des considérations de topologie, Moore a appelé la nouvelle classe de matériaux découverte par son collègue des isolants topologiques.

L'étain, de symbole Sn dans la classification de Mendeleïev, est un métal courant dans notre vie. Il détient peut-être le potentiel de révolutionner l'électronique en permettant de fabriquer un cousin du graphène, le stanène. © Brad Plummer, Slac

L'intérêt pour les isolants topologique s'est accru lorsqu'on s'est rendu compte qu'ils pouvaient contenir des fermions de Majorana, et donc permettre de réaliser des calculs quantiques naturellement protégés contre les effets de la décohérence. En 2006, le physicien Shoucheng Zhang, de l'université Stanford, a compris que certains types de noyaux lourds étaient particulièrement adaptés à la fabrication d'isolants topologiques. Il a ainsi prédit qu'un cristal à base de mercure et de tellure devait permettre de vérifier les calculs de Kane et Moore. Effectivement, dès 2007, Laurens Molenkamp et ses collègues annonçaient que les isolants topologiques existent bel et bien. Pour leurs travaux, Charles Kane, Shoucheng Zhang et Laurens Molenkamp se sont vu attribuer le Physics Frontiers Prize.

Le stanène, un cousin supraconducteur du graphène ?

La saga des isolants topologiques vient peut-être de connaître un nouveau rebondissement avec un article que Shoucheng Zhang et ses collègues viennent de déposer sur arxiv. Les physiciens y annoncent qu'ils ont réalisé sur ordinateur des simulations concernant les propriétés de conduction d'un nouveau matériau. Les chercheurs l'ont baptisé stanène, car il est composé pour l'essentiel d'atome d'étain formant un feuillet 2D similaire à celui du graphène. Son nom dérive de celui de l'étain en latin, c'est-à-dire « stannum ».

Comme tous les isolants topologiques 2D, le stanène est conducteur sur ses bords, mais isolant à l'intérieur de son feuillet. Ce qui est particulièrement stupéfiant, si l'on en croit les simulations, c'est que la conduction d'électricité s'y produirait sans résistance, comme le ferait un supraconducteur, et surtout à température ambiante. Voilà évidemment de quoi susciter des espoirs pour une nouvelle électronique.

Pour l'instant, et en supposant que le stanène possède bel et bien cette remarquable propriété de se comporter comme les mythiques supraconducteurs à température ambiante, Shoucheng Zhang envisage son utilisation au niveau des connexions dans un microprocesseur. Mais on peut aussi imaginer une nouvelle génération de puces moins gourmandes en énergie et plus rapides grâce au stanène.

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