Un semi-conducteur quantique découvert par hasard bat le record de vitesse : jusqu’à un million de fois plus rapide | Technologie

La physique et la chimie ont réécrit la fable du lièvre et de la tortue dans le domaine quantique plus de 2 500 ans après sa création par Ésope. Tout comme l’animal le plus lent bat le lièvre rapide dans une course grâce à sa persévérance et sa stratégie, un groupe de recherche du Université de Colombie (New York-USA) a découvert par hasard un matériau superatomique, appelé Re₆Se₈Cl₂ (composé de rhénium, de sélénium et de chlore), qui a servi de semi-conducteur afin que les électrons traversent des micromètres lors d’expériences en moins d’une nanoseconde. « Théoriquement, ils ont le potentiel d’atteindre les femtosecondes, soit six ordres de grandeur [10⁶] plus rapide que la vitesse atteignable dans l’électronique gigahertz actuelle et à température ambiante », expliquent les chercheurs.

La découverte, publiée dans Science, c’est une coïncidence et grâce à l’étudiant Jack Tulyag, qui travaille sur son doctorat avec le professeur de chimie de Columbia, Milan Delor. Le premier a amené Re₆Se₈Cl₂ au laboratoire, pensant qu’il s’agissait d’un matériau sans capacité de conduction élevée, pour tester des microscopes à super-résolution, capables de capturer des particules se déplaçant à des échelles ultrarapides et ultramicroscopiques. «C’était le contraire de ce à quoi nous nous attendions. Au lieu du mouvement lent auquel nous nous attendions, nous avons vu le mouvement le plus rapide que nous ayons jamais vu », explique Delor.

Selon l’enquêteur, les semi-conducteurs à base de silicium permettent un mouvement rapide des électrons qui n’était pas prévu dans le matériau superatmique. Mais l’expérience a permis de découvrir que, dans Re₆Se₈Cl₂, l’exciton (un état quantique formé par les électrons ayant absorbé de l’énergie et le trou généré lorsque la particule passe à un état d’énergie supérieur) s’apparie avec le phonon, une quasi-particule porteuse d’énergie et fondamental en conductivité électrique. Cette association génère une nouvelle quasiparticule, appelée exciton-polaron acoustique, plus lourde, mais qui, paradoxalement, s’avère plus rapide.

Delor se tourne vers la fable d’Ésope pour l’expliquer. Dans le silicium, les électrons peuvent se déplacer très rapidement, mais comme le lièvre, qui reste confiant dans ses capacités, « ils rebondissent trop et ne vont finalement pas très loin, très vite ». En revanche, dans la matière des superatomes, les excitons s’associent aux phonons pour se déplacer, comme la tortue, « lentement mais sûrement », dans « un flux balistique ou sans dispersion ». Ce comportement est similaire à celui d’un fluide qui s’écoule sans friction dans un conduit et donc sans perte d’énergie cinétique.

« Sans obstacle, l’exciton-polaron acoustique se déplace finalement plus rapidement dans Re₆Se₈Cl₂ que les électrons dans le silicium », résume le chercheur.

Dans les expériences, les polarons-excitons acoustiques ont atteint plusieurs micromètres de l’échantillon dans Re₆Se₈Cl₂ en moins d’une nanoseconde. Cette vitesse, en tenant compte du fait qu’ils peuvent rester stables pendant environ 11 nanosecondes et être contrôlés par la lumière au lieu de l’électricité, permet aux chercheurs de calculer que, théoriquement, « ils pourraient couvrir plus de 25 micromètres en femtosecondes ».

Ce potentiel théorique signifie une vitesse un million de fois supérieure à celle de l’électron dans le silicium, un rapport similaire à celui de la vitesse de la lumière par rapport à la vitesse du son ou à la vitesse d’un avion à 900 kilomètres par heure. Les processeurs informatiques d’aujourd’hui sont également 10⁶ plus rapides que ceux des ordinateurs d’il y a 20 ans. “En termes de transport d’énergie, Re₆Se₈Cl₂ est le meilleur semi-conducteur que nous connaissions, du moins jusqu’à présent”, explique Delor.

José Luis Salmerón, extérieur à la recherche et directeur du Data Science Lab de l’Université Cunef, explique l’importance de cette découverte : « Le transfert d’énergie et d’information dans les semi-conducteurs est limité par la dispersion entre les porteurs électroniques et les phonons du réseau, ce qui entraîne des pertes qui restreindre toutes les technologies de semi-conducteurs. En utilisant un semi-conducteur superatomique tel que Re₆Se₈Cl₂, les auteurs démontrent la formation d’excitons-polarons acoustiques protégés contre la diffusion de phonons.

Salmerón, inclus par Elsevier et l’Université de Stanford dans le dernier liste des scientifiques les plus cités, souligne que le nouveau semi-conducteur présente une structure organisée en couches liées par des forces de Van der Waals : « Ce sont des forces attractives qui agissent entre les atomes et les molécules en raison de fluctuations temporaires dans les distributions de charges électroniques. Cette disposition particulière lui confère des propriétés semi-conductrices, ce qui signifie qu’il peut conduire l’électricité différemment des conducteurs et isolants classiques. “Ce qui distingue Re₆Se₈Cl₂ en tant que semi-conducteur superatmique, c’est sa capacité à présenter des propriétés électroniques exceptionnelles qui transcendent les caractéristiques individuelles de ses atomes constitutifs.”

L’application de ce potentiel dans les processeurs commerciaux est limitée car le semi-conducteur découvert comprend du rhénium, un élément chimique rare sur Terre utilisé dans les superalliages à base de nickel ou, avec le molybdène et le tungstène, dans les moteurs aéronautiques, dans les catalyseurs chimiques et pétrochimiques. pour les revêtements résistants à la corrosion.

Cependant, après deux ans de travail, l’équipe de chercheurs estime pouvoir utiliser la combinaison d’autres éléments pour trouver des semi-conducteurs dotés de capacités similaires à celles du Re₆Se₈Cl₂. « C’est le seul matériau dans lequel un transport soutenu d’excitons balistiques a été observé à température ambiante. Mais nous pouvons désormais commencer à prédire quels autres matériaux pourraient être capables de ce comportement que nous n’avions tout simplement pas envisagé auparavant. Il existe toute une famille de matériaux semi-conducteurs superatomiques et d’autres présentant des propriétés favorables à la formation de polarons acoustiques », explique Delor.

Salmerón, chercheur associé au Chili autonome et principal data scientist chez Capgemini, est d’accord : « Cette découverte offre de nouvelles perspectives dans la recherche de matériaux ayant des applications révolutionnaires dans l’électronique et la technologie des semi-conducteurs. “Cette découverte élargit non seulement notre compréhension des semi-conducteurs superatomiques, mais ouvre également de nouvelles possibilités pour le développement de technologies plus efficaces et avancées dans le domaine de l’électronique et de l’informatique.”

« Dans le cas spécifique de Re₆Se₈Cl₂″, ajoute le chercheur espagnol, « un transport protégé des polarons a été observé, ce qui signifie que ces quasi-particules peuvent se déplacer plus efficacement et moins affectées par les interactions avec les vibrations du réseau. “Cela peut avoir des implications significatives en termes d’efficacité et de rapidité dans les applications de semi-conducteurs et d’électronique.”

“Il s’agit d’un grand progrès car la possibilité de disposer de semi-conducteurs balistiques à température ambiante représente une étape significative vers l’amélioration de la technologie électronique en termes d’efficacité, de rapidité et de polyvalence des applications possibles”, conclut Salmerón.

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