Découverte d’une jonction semi-conductrice ultra-fine dans un matériau quantique

VILLE – 9 mai 2024 –

Une équipe de scientifiques a mis en lumière une découverte significative concernant un nouveau matériau quantique. L’étude, menée par des chercheurs, a mis en évidence la création naturelle d’une jonction semi-conductrice étonnamment fine au sein de sa structure cristalline. Ce phénomène, observé lors de l’étude des propriétés électroniques du MnBi₆Te₁₀, offre de nouvelles perspectives pour l’ultra-miniaturisation des composants électroniques. Cette découverte pourrait révolutionner le domaine de l’électronique et ouvrent des portes vers de nouvelles applications prometteuses.

Des scientifiques étudiant un matériau quantique prometteur ont fait une découverte surprenante : au sein de sa structure cristalline, le matériau forme naturellement l’une des jonctions semi-conductrices les plus fines au monde, un élément constitutif de la plupart des appareils électroniques modernes. Cette jonction ne mesure que 3,3 nanomètres d’épaisseur, soit environ 25 000 fois plus fine qu’une feuille de papier.

Cette découverte offre une nouvelle voie pour construire des composants électroniques ultra-miniaturisés et fournit des informations précieuses sur le comportement des électrons dans les matériaux conçus pour les applications quantiques.

## Électrons inégaux

Des chercheurs étudiaient les propriétés électroniques du MnBi₆Te₁₀,un type de substance topologique connue pour ses propriétés inhabituelles,comme le fait de laisser l’électricité circuler librement le long de ses bords sans aucune résistance. Les scientifiques espèrent que cette classe de matériaux topologiques pourra un jour être utilisée dans les ordinateurs quantiques ou les appareils électroniques ultra-efficaces.

Pour fonctionner correctement, les matériaux comme le MnBi₆Te₁₀ doivent avoir des électrons soigneusement équilibrés et distribués. L’équipe pensait avoir atteint le bon équilibre en modifiant la composition chimique du matériau et en infusant du mnbi₆Te₁₀ avec de l’antimoine.Des tests électriques réguliers ont confirmé que le matériau était globalement neutre.

L’équipe a ensuite examiné de plus près, en utilisant une technique appelée spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle (trARPES) qui utilise des impulsions laser ultrarapides pour observer la distribution des électrons et l’évolution de leurs niveaux d’énergie en temps réel. Les scientifiques ont observé quelque chose d’inattendu. Au sein de chaque couche répétée du cristal,épaisse de quelques atomes seulement,les électrons n’étaient pas répartis uniformément.Au lieu de cela, ils s’agglutinaient dans certaines parties et en laissaient d’autres avec moins d’électrons. Cela a créé de minuscules champs électriques intégrés au sein du matériau.

Dans un matériau quantique idéal, vous voulez une distribution de charges vraiment uniforme. Le fait de voir cette distribution inégale suggère que nous ne pourrons peut-être pas activer les applications quantiques de la manière initialement prévue, mais révèle cet autre phénomène vraiment utile.

Ces minuscules régions agissaient comme des jonctions p-n, un type de jonction semi-conductrice qui contient des champs électriques internes et est utilisée pour construire des diodes, similaires à celles que l’on trouve dans les appareils électroniques courants comme les téléphones et les ordinateurs.Mais contrairement aux jonctions p-n fabriquées, celles-ci se forment naturellement dans le cadre du cristal lui-même.

## Un atout pour les applications quantiques et électroniques

Étant donné que la nouvelle jonction p-n à formation naturelle est également très sensible à la lumière, elle pourrait être utile pour l’électronique de nouvelle génération, y compris la spintronique, un type de technologie qui stocke et manipule les données en utilisant le spin magnétique d’un électron plutôt que sa charge.

En modélisant ce qui se passait au sein de la structure cristalline du MnBi₆Te₁₀, les chercheurs ont pu formuler une hypothèse sur la façon dont il formait les jonctions p-n. L’introduction d’antimoine dans le MnBi₆Te₁₀, suspectent-ils, conduit à un échange entre les atomes de manganèse et l’antimoine, provoquant des différences de charge dans tout le matériau.Bien que cette découverte ajoute de la complexité aux efforts visant à utiliser le matériau pour certains types d’effets quantiques, elle ouvre de nouvelles applications dans l’électronique. Elle ouvre également la voie à une ingénierie plus poussée du MnBi₆Te₁₀ afin qu’il maintienne une distribution uniforme des électrons et puisse être utile dans l’ingénierie quantique.

L’équipe affine les méthodes de fabrication de couches minces du matériau, plutôt que de grands cristaux tridimensionnels. Cela pourrait leur permettre de contrôler plus précisément le comportement des électrons, soit pour renforcer les propriétés quantiques, soit pour augmenter le rendement des minuscules jonctions p-n.

Cela démontre une fois de plus la valeur de la poursuite de la recherche scientifique fondamentale et de l’ouverture quant à la direction qu’elle prend. Nous sommes partis avec un objectif et avons trouvé une surprise qui nous a menés dans une autre direction, vraiment passionnante.

Citation : « Spectroscopic evidence of intra-unit-cell charge redistribution in a charge-neutral magnetic topological insulator », Nguyen et al, Nanoscale, 2 avril 2025. DOI : 10.1039/d4nr04812a