Vue artistique. Courbure du tissu spatial due à la superposition des états de spin et d’orbite à l’interface entre l’aluminate de lanthane (LaAlO3) et le titanate de strontium (SrTiO3). Crédit : Xavier Ravinet – UNIGE
Une équipe internationale, dirigée par l’Université de Genève (UNIGE), a créé un matériau quantique qui permet de courber à la demande le tissu de l’espace habité par les électrons.
L’avènement des technologies de l’information et de la communication de pointe pose aux scientifiques et à l’industrie de nouveaux obstacles à surmonter. Pour relever ces défis, concevoir de nouveaux matériaux quantiques, qui tirent leurs caractéristiques remarquables des principes de la physique quantique, est l’approche la plus prometteuse.
Une collaboration mondiale dirigée par l’Université de Genève (UNIGE) et regroupant des chercheurs des universités de Salerne, d’Utrecht et de Delft, a mis au point un matériau permettant de contrôler la dynamique des électrons en incurvant le tissu spatial dans lequel ils évoluent. Cette avancée est prometteuse pour les futurs appareils électroniques, en particulier dans le domaine de l’optoélectronique. Les résultats ont été publiés dans la revue Matériaux naturels.
Les télécommunications du futur nécessiteront de nouveaux appareils électroniques extrêmement puissants. Ceux-ci doivent être capables de traiter des signaux électromagnétiques à des vitesses sans précédent, de l’ordre de la picoseconde, soit le millième de milliardième de seconde.
C’est impensable avec les matériaux semi-conducteurs actuels, comme le silicium, largement utilisé dans les composants électroniques de nos téléphones, ordinateurs et consoles de jeux. Pour y parvenir, scientifiques et industriels se concentrent sur la conception de nouveaux matériaux quantiques.
Grâce à leurs propriétés uniques – notamment les réactions collectives des électrons qui les composent – ces matériaux quantiques pourraient être utilisés pour capter, manipuler et transmettre des signaux porteurs d’informations (par exemple des photons, dans le cas des télécommunications quantiques) au sein de nouveaux dispositifs électroniques. De plus, ils peuvent fonctionner dans des gammes de fréquences électromagnétiques non encore explorées et ouvriraient ainsi la voie à des systèmes de communication à très haut débit.
Un lecteur de chaîne
”L’une des propriétés les plus fascinantes de la matière quantique est que les électrons peuvent évoluer dans un espace courbe. Les champs de force, dus à cette déformation de l’espace habité par les électrons, génèrent une dynamique totalement absente des matériaux conventionnels. Il s’agit d’une application remarquable du principe de superposition quantique”, explique Andrea Caviglia, professeur ordinaire au Département de physique de la matière quantique de la Faculté des sciences de l’UNIGE et dernier auteur de l’étude.
Après une première étude théorique, l’équipe internationale de chercheurs des Universités de Genève, Salerne, Utrecht et Delft a conçu un matériau dans lequel la courbure du tissu spatial est contrôlable.
”Nous avons conçu une interface hébergeant une couche extrêmement fine d’électrons libres. Il est pris en sandwich entre le titanate de strontium et l’aluminate de lanthane, qui sont deux oxydes isolants”, explique Carmine Ortix, professeur à l’Université de Salerne et coordinateur de l’étude théorique. Cette combinaison nous permet d’obtenir des configurations géométriques électroniques particulières qui peuvent être contrôlées à la demande.
Un atome à la fois
Pour y parvenir, l’équipe de recherche a utilisé un système avancé de fabrication de matériaux à l’échelle atomique. À l’aide d’impulsions laser, chaque couche d’atomes a été empilée les unes après les autres. ”Cette méthode nous a permis de créer des combinaisons spéciales d’atomes dans l’espace qui affectent le comportement du matériau”, détaillent les chercheurs.
Alors que la perspective d’une utilisation technologique est encore lointaine, ce nouveau matériau ouvre de nouvelles voies dans l’exploration de la manipulation du signal électromagnétique à très haut débit. Ces résultats peuvent également être utilisés pour développer de nouveaux capteurs. La prochaine étape pour l’équipe de recherche sera d’observer plus avant comment ce matériau réagit aux hautes fréquences électromagnétiques afin de déterminer plus précisément ses applications potentielles.
Référence : “Designing spin and orbital sources of Berry curvature at oxide interfaces” par Edouard Lesne, Yildiz G. Saglam, Raffaele Battilomo, Maria Teresa Mercaldo, Thierry C. van Thiel, Ulderico Filippozzi, Canio Noce, Mario Cuoco, Gary A. Steele , Carmine Ortix et Andrea D. Caviglia, 16 mars 2023, Matériaux naturels.
DOI : 10.1038/s41563-023-01498-0
