La fin de l'ère du silicium a commencé. Alors que les puces informatiques approchent des limites physiques de la miniaturisation et que les processeurs énergivores font grimper les coûts énergétiques, les scientifiques recherchent une nouvelle récolte de matériaux exotiques qui pourraient favoriser une nouvelle génération d'appareils informatiques qui promettent de pousser les performances vers de nouveaux sommets tout en lésinant sur la consommation d'énergie.

Contrairement à l'électronique actuelle à base de silicium, qui rejettent la majeure partie de l'énergie qu'ils consomment sous forme de chaleur résiduelle, l'avenir est tout au sujet de l'informatique à faible consommation d'énergie. Connu sous le nom de spintronique, cette technologie repose sur une propriété physique quantique des électrons – spin ascendant ou descendant – pour traiter et stocker l'information, plutôt que de les déplacer avec de l'électricité comme le fait l'informatique conventionnelle.

En quête de faire des dispositifs spintroniques une réalité, des scientifiques de l'Université de l'Arizona étudient une culture exotique de matériaux connus sous le nom de dichalcogénures de métaux de transition, ou TMD. Les TMD ont des propriétés intéressantes qui se prêtent à de nouvelles façons de traiter et de stocker l'information et pourraient constituer la base des futurs transistors et photovoltaïques, et potentiellement même offrir une voie vers l'informatique quantique.

Par exemple, les cellules solaires actuelles à base de silicium ne convertissent de manière réaliste qu'environ 25 pour cent de la lumière solaire en électricité, donc l'efficacité est un problème, dit Calley Eads, un doctorant de cinquième année au département de chimie et biochimie de l'UA qui étudie certaines des propriétés de ces nouveaux matériaux. "Il pourrait y avoir une énorme amélioration là-bas pour récolter de l'énergie, et ces matériaux pourraient potentiellement le faire, " elle dit.

Il y a un hic, cependant :la plupart des TMD ne montrent leur magie que sous la forme de feuilles très grandes, mais seulement un à trois atomes d'épaisseur. De telles couches atomiques sont suffisamment difficiles à fabriquer à l'échelle du laboratoire, encore moins dans la production industrielle de masse.

De nombreux efforts sont en cours pour concevoir des matériaux atomiquement minces pour la communication quantique, électronique basse consommation et cellules solaires, selon Olivier Monti, professeur au département et conseiller d'Eads. Etudier un TMD constitué de couches alternées d'étain et de soufre, son équipe de recherche a récemment découvert un possible raccourci, publié dans la revue Communication Nature .

"Nous montrons que pour certaines de ces propriétés, vous n'avez pas besoin d'aller aux feuilles atomiquement minces, " dit-il. " Vous pouvez vous tourner vers la forme cristalline beaucoup plus facilement accessible qui est disponible dans le commerce. Certaines propriétés sont sauvées et survivent."

Comprendre le mouvement des électrons

Cette, bien sûr, pourrait considérablement simplifier la conception de l'appareil.

"Ces matériaux sont si insolites qu'on en découvre de plus en plus à leur sujet, et ils révèlent des fonctionnalités incroyables que nous pensons pouvoir utiliser, mais comment en sommes-nous sûrs ?" dit Monti. "Une façon de le savoir est de comprendre comment les électrons se déplacent dans ces matériaux afin que nous puissions développer de nouvelles façons de les manipuler, par exemple, avec de la lumière au lieu du courant électrique comme le font les ordinateurs conventionnels."

Pour faire cette recherche, l'équipe a dû surmonter un obstacle qui n'avait jamais été franchi auparavant :trouver un moyen de « regarder » les électrons individuels lorsqu'ils traversaient les cristaux.

"Nous avons construit ce qui est essentiellement une horloge qui peut chronométrer les électrons en mouvement comme un chronomètre, " dit Monti. "Cela nous a permis de faire les premières observations directes d'électrons se déplaçant dans des cristaux en temps réel. Jusqu'à maintenant, qui n'avait été fait qu'indirectement, en utilisant des modèles théoriques.

Le travail est une étape importante vers l'exploitation des caractéristiques inhabituelles qui font des TMD des candidats intrigants pour la future technologie de traitement, car cela nécessite une meilleure compréhension de la façon dont les électrons se comportent et se déplacent en eux.

Le "chronomètre" de Monti permet de suivre les électrons en mouvement à une résolution d'une simple attoseconde, soit un milliardième de milliardième de seconde. Suivi des électrons à l'intérieur des cristaux, l'équipe a fait une autre découverte :le flux de charge dépend de la direction, une observation qui semble aller à l'encontre de la physique.

En collaboration avec Mahesh Neupane, un physicien informatique aux laboratoires de recherche de l'armée, et Dennis Nordlund, un expert en spectroscopie de rayons X au SLAC National Accelerator Laboratory de l'Université de Stanford, L'équipe de Monti a utilisé un accordable, source de rayons X à haute intensité pour exciter les électrons individuels dans leurs échantillons d'essai et les élever à des niveaux d'énergie très élevés.

"Quand un électron est excité de cette façon, c'est l'équivalent d'une voiture qui passe de 10 milles à l'heure à des milliers de milles à l'heure, " explique Monti. " Il veut se débarrasser de cette énorme énergie et retomber à son niveau d'énergie d'origine. Ce processus est extrêmement court, et quand cela arrive, il dégage une signature spécifique que nous pouvons capter avec nos instruments."

Les chercheurs ont pu le faire d'une manière qui leur a permis de distinguer si les électrons excités restaient dans la même couche du matériau, ou répartis dans des couches adjacentes à travers le cristal.

"Nous avons vu que les électrons excités de cette manière se sont dispersés dans la même couche et l'ont fait extrêmement rapidement, de l'ordre de quelques centaines d'attosecondes, " dit Monti.

En revanche, les électrons qui se sont croisés dans les couches adjacentes ont mis plus de 10 fois plus de temps pour revenir à leur état d'énergie fondamentale. La différence a permis aux chercheurs de distinguer les deux populations.

"J'étais très excité de découvrir ce mécanisme directionnel de distribution de charge se produisant dans une couche, par opposition à à travers les couches, " dit Eads, l'auteur principal du journal. "Cela n'avait jamais été observé auparavant."

Plus proche de la fabrication de masse

L'"horloge" à rayons X utilisée pour suivre les électrons ne fait pas partie des applications envisagées mais un moyen d'étudier le comportement des électrons à l'intérieur de ceux-ci, Monti explique, une première étape nécessaire pour se rapprocher d'une technologie avec les propriétés souhaitées qui pourraient être fabriquées en série.

"Un exemple du comportement inhabituel que nous voyons dans ces matériaux est qu'un électron allant vers la droite n'est pas la même chose qu'un électron allant vers la gauche, " dit-il. " Cela ne devrait pas arriver - selon la physique des matériaux standard, aller à gauche ou à droite, c'est exactement la même chose. Cependant, pour ces matériaux ce n'est pas vrai."

Cette directionnalité est un exemple de ce qui rend les TMD intrigants pour les scientifiques, car il pourrait être utilisé pour coder des informations.

"Se déplacer vers la droite pourrait être codé comme 'un' et aller vers la gauche comme 'zéro, "" dit Monti. "Donc, si je peux générer des électrons qui vont parfaitement vers la droite, J'en ai écrit un tas, et si je peux générer des électrons qui vont parfaitement vers la gauche, J'ai généré un tas de zéros."

Au lieu d'appliquer du courant électrique, les ingénieurs pourraient manipuler les électrons de cette manière en utilisant de la lumière comme un laser, écrire optiquement, lire et traiter les informations. Et peut-être qu'un jour il deviendra même possible d'entremêler optiquement des informations, ouvrant la voie à l'informatique quantique.

"Chaque année, de plus en plus de découvertes se produisent dans ces matériaux, " dit Eads. " Ils explosent en termes de types de propriétés électroniques que vous pouvez observer en eux. Il y a tout un éventail de façons dont ils peuvent fonctionner, de supraconducteur, semi-conducteur à isolant, et peut-être plus."

La recherche décrite ici n'est qu'une façon de sonder l'inattendu, propriétés passionnantes des cristaux TMD en couches, selon Monti.

"Si vous avez fait cette expérience dans le silicium, tu ne verrais rien de tout ça, " dit-il. " Le silicium se comportera toujours comme un cristal tridimensionnel, peut importe ce que vous faites. Tout est dans la superposition."