Les scientifiques ont fait une percée dans le développement d'une nouvelle génération d'électronique qui nécessitera moins d'énergie et générera moins de chaleur.

Il s'agit d'exploiter les propriétés quantiques complexes des électrons - dans ce cas, l'état de spin des électrons.

Dans une première mondiale, les chercheurs, dirigés par une équipe de physiciens de l'Université de Leeds, ont annoncé dans le journal Avancées scientifiques qu'ils ont créé un « condensateur de spin » capable de générer et de maintenir l'état de spin des électrons pendant plusieurs heures.

Les tentatives précédentes n'ont maintenu l'état de rotation que pendant une fraction de seconde.

En électronique, un condensateur contient de l'énergie sous forme de charge électrique. Un condensateur de spin est une variante de cette idée :au lieu de maintenir juste la charge, il stocke également l'état de spin d'un groupe d'électrons – en fait, il « gèle » la position de spin de chacun des électrons.

Cette capacité à capturer l'état de rotation ouvre la possibilité de développer de nouveaux dispositifs qui stockent les informations si efficacement que les dispositifs de stockage pourraient devenir très petits. Un condensateur de spin mesurant seulement un pouce carré pourrait stocker 100 téraoctets de données.

Dr Oscar Cespedes, Professeur agrégé à l'École de physique et d'astronomie qui a supervisé la recherche, a déclaré :"Il s'agit d'une percée modeste mais significative dans ce qui pourrait devenir une révolution de l'électronique entraînée par l'exploitation des principes de la technologie quantique.

"À l'heure actuelle, jusqu'à 70 pour cent de l'énergie utilisée dans un appareil électronique tel qu'un ordinateur ou un téléphone portable est perdue sous forme de chaleur, et c'est l'énergie qui provient des électrons se déplaçant à travers les circuits de l'appareil. Il en résulte d'énormes inefficacités et limite les capacités et la durabilité des technologies actuelles. L'empreinte carbone d'Internet est déjà similaire à celle du transport aérien et augmente d'année en année.

"Avec des effets quantiques qui utilisent des éléments légers et respectueux de l'environnement, il ne pourrait y avoir aucune perte de chaleur. Cela signifie que les performances des technologies actuelles peuvent continuer à se développer d'une manière plus efficace et durable qui nécessite beaucoup moins d'énergie."

Dr Matthew Rogers, l'un des auteurs principaux, aussi de Leeds, a commenté :"Nos recherches montrent que les appareils du futur n'auront peut-être pas besoin de disques durs magnétiques. Ils auront plutôt des condensateurs de spin actionnés par la lumière, ce qui les rendrait très rapides, ou par un champ électrique, ce qui les rendrait extrêmement économes en énergie.

"Il s'agit d'une percée passionnante. L'application de la physique quantique à l'électronique se traduira par des dispositifs nouveaux et novateurs."

Comment fonctionne un condensateur de spin

En informatique conventionnelle, les informations sont codées et stockées sous forme d'une série de bits :par ex. des zéros et des uns sur un disque dur. Ces zéros et ces uns peuvent être représentés ou stockés sur le disque dur par des changements de polarité de minuscules régions magnétisées sur le disque.

Avec la technologie quantique, les condensateurs de spin pouvaient écrire et lire des informations codées dans l'état de spin des électrons en utilisant la lumière ou des champs électriques.

L'équipe de recherche a pu développer le condensateur de spin en utilisant une interface de matériaux avancés constituée d'une forme de carbone appelée buckminsterfullerene (buckyballs), l'oxyde de manganèse et une électrode magnétique de cobalt. L'interface entre le nanocarbone et l'oxyde est capable de piéger l'état de spin des électrons.

Le temps qu'il faut pour que l'état de spin se désintègre a été prolongé en utilisant l'interaction entre les atomes de carbone dans les buckyballs et l'oxyde métallique en présence d'une électrode magnétique.

Certaines des installations expérimentales les plus avancées au monde ont été utilisées dans le cadre de l'enquête.

Les chercheurs ont utilisé le synchrotron ALBA à Barcelone qui utilise des accélérateurs d'électrons pour produire une lumière synchrotron qui permet aux scientifiques de visualiser la structure atomique de la matière et d'étudier ses propriétés. La spectroscopie de spin du muon à basse énergie à l'Institut Paul Scherrer en Suisse a été utilisée pour surveiller les changements de spin locaux sous irradiation lumineuse et électrique à quelques milliardièmes de mètre à l'intérieur de l'échantillon. Un muon est une particule subatomique.

Les résultats de l'analyse expérimentale ont été interprétés avec l'aide d'informaticiens du Science and Technical Facilities Council du Royaume-Uni, abrite l'un des supercalculateurs les plus puissants du Royaume-Uni.

Les scientifiques pensent que les progrès qu'ils ont réalisés peuvent être mis à profit, plus particulièrement vers les appareils capables de maintenir l'état de rotation pendant de plus longues périodes.