Réseaux de nanocristaux, graphène artificiel, isolants topologiques

Toujours à la recherche de nouveaux concepts pour l’électronique du futur, les physiciens travaillent sur de nouvelles classes de matériaux bidimensionnels qui suscitent un intérêt considérable actuellement. Parmi eux, les isolants topologiques sont des matériaux isolants dans leur cœur mais dont les bords conduisent l’électricité. Les électrons s’y propagent librement, insensibles aux imperfections grâce à une protection topologique. Le moment magnétique (spin) des électrons est lié à leur direction de propagation le long du bord, donnant lieu à un courant de spin très intéressant pour développer l’électronique de spin. Autre matériau d’intérêt considérable, le graphène est une mono-couche d’atomes de carbone formant un réseau en nid d’abeilles dans lequel les électrons se déplacent plutôt comme des photons sans masse que des particules massives, car la structure électronique du graphène présente une caractéristique particulière appelée cône de Dirac. Depuis peu, les chercheurs essaient de découvrir de nouveaux matériaux combinant les propriétés de ces deux types de matériaux.

Dans ce cadre, des chercheurs de Lille et d’Utrecht (Hollande) explorent une voie nouvelle consistant à combiner des matériaux bien connus pour synthétiser des matériaux artificiels aux propriétés recherchées.Dans un travail théorique, ils montrent quun réseau en nid dabeilles formé par collage orienté de nanocristaux d’un semiconducteur conventionnel peut se comporter électroniquement à la fois comme du graphène et un isolant topologique. Une partie de la structure électronique définit un matériau isolant dont les bords sont caractérisés par des courants de spin. Une autre partie présente non seulement deux cônes de Dirac alors que le graphène nen présente quun mais aussi des bandes plates non triviales potentiellement très intéressantes pour réaliser leffet Hall quantique de spin fractionnaire.

Lassemblage de nanocristaux formant un réseau en nid dabeilles a été démontré très récemment par un des partenaires de l’étude. Il promet de générer de nouvelles classes de matériaux présentant des phases quantiques complexes et modulables en jouant sur la taille et la composition des nanocristaux. Leur réalisation en partant de semiconducteurs traditionnels pourrait accélérer les développements technologiques basés sur leurs propriétés non conventionnelles, en particulier en électronique de spin.

Ce travail est issu d’une collaboration avec les équipes de D. Vanmaekelbergh au Debye Institute (Chemistry Department) et de C. Morais Smith de l’Institute for Theoretical Physics, les deux équipes étant de l’université d’Utrecht. Il a été publié récemment dans Physical Review X:

« Dirac cones, topological edge states, and nontrivial flat bands in two-dimensional semiconductors with a honeycomb nanogeometry«  by E. Kalesaki, C. Delerue, C. Morais Smith, W. Beugeling, G. Allan, and D. Vanmaekelbergh, Phys. Rev. X 4, 011010 (2014).

Bandes de conduction d'un réseau en nid d'abeille de nanocristaux de CdSe.

Bandes de conduction d’un réseau en nid d’abeilles de nanocristaux de CdSe.