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Les propriétés électriques des matériaux qui entrent dans la composition des appareils électroniques varient en fonction de la température, ce qui compromet la stabilité dans des conditions extrêmes. Or, une équipe de recherche de l’Université ºÃÉ«TVl a mené une étude dont les résultats bousculent les idées reçues en physique et laissent entendre que le bismuth pourrait servir d’élément de base dans la fabrication de composants électroniques très stables.

Les chercheurs ont constaté un mystérieux effet électrique invariable sur un flocon ultramince de ce métal soumis à une vaste gamme de températures, allant de près du zéro absolu (-273 °C) à la température ambiante.

« Cette découverte pourrait représenter une avancée importante pour l’électronique verte », soutient Guillaume Gervais, professeur de physique à l’Université ºÃÉ«TVl et coauteur de ±ô’ét³Ü»å±ð.

Elle pourrait mener à la création de composants et d’appareils électroniques plus efficaces, stables et respectueux de l’environnement, notamment en exploration spatiale et dans le domaine médical. En outre, le bismuth est non toxique et biocompatible.

« On s’attendait à voir cet effet disparaître à mesure qu’on augmentait la température, mais il s’est maintenu. On est allé jusqu’à la température ambiante, et on pouvait encore l’observer! J’étais tellement persuadé que l’effet se dissiperait que j’ai parié une bouteille de vin avec mes étudiants Oulin Yu et Frédéric Boivin. Finalement, j’ai perdu », raconte le professeur Gervais.

L’approche de la râpe à fromage

Publiée dans la revue Physical Review Letters, fait état d’un effet Hall anormal, indépendant de la température, observé sur un échantillon de bismuth de 68 nanomètres d’épaisseur. L’effet Hall, soit l’apparition d’une tension perpendiculaire au courant appliqué, est généralement associé à des matériaux ayant des propriétés magnétiques. Toutefois, comme le bismuth est diamagnétique, ce comportement est inhabituel.

Pour parvenir à leurs fins, le professeur Gervais et ses collègues, notamment l’auteur principal de ±ô’ét³Ü»å±ð et doctorant Oulin Yu, ont mis au point une nouvelle technique permettant d’obtenir du bismuth ultrafin. S’inspirant de la râpe à fromage, l’équipe a réalisé des rainures microscopiques dans une tranche de semi-conducteur, puis elle a taillé mécaniquement de fines couches de bismuth. Les chercheurs ont ensuite soumis ces flocons à des champs magnétiques des dizaines de milliers de fois plus puissants que ceux d’un aimant de réfrigérateur, au National High Magnetic Field Laboratory, en Floride.

Une découverte qui défie les lois de la physique?

Comme des études antérieures donnaient à penser que le bismuth ne pouvait pas produire d’effet Hall anormal, les résultats obtenus par l’équipe sont d’autant plus étonnants.

« Aucune théorie n’explique nos résultats. Nous n’avons que des bribes d’explications possibles », explique le professeur Gervais.

D’après l’une des hypothèses avancées, la structure atomique du bismuth limiterait le mouvement des électrons et reproduirait le comportement des matériaux topologiques, substances découvertes récemment dont la surface et l’intérieur présentent des propriétés différentes. Ces matériaux pourraient révolutionner l’informatique.

L’équipe de recherche s’affairera maintenant à déterminer s’il est possible d’obtenir un effet Hall quantique anormal avec le bismuth. Cette avancée pourrait ouvrir la voie à des dispositifs électroniques fonctionnant à des températures plus élevées.

³¢â€™Ã©t³Ü»å±ð

L’article « », par Guillaume Gervais, Oulin Yu et coll., a été publié dans la revue Physical Review Letters.

³¢â€™Ã©t³Ü»å±ð a été financée par le fonds Nouvelles frontières en recherche, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), le CIFAR, le Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies, CXC (entreprise basée à Montréal), ainsi que la National Science Foundation (NSF) pour les travaux réalisés au National High Magnetic Field Laboratory, en Floride.