Des chercheurs de l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill ont créé une rue à sens unique pour les électrons qui peut débloquer la capacité des appareils à traiter des données sans fil ultra-rapides et à récolter simultanément de l'énergie pour l'alimentation. Les chercheurs l'ont fait en façonnant du silicium à l'échelle microscopique pour créer un entonnoir, ou "à cliquet, " pour les électrons.

Cette méthode surmonte les limitations de vitesse des technologies antérieures en supprimant les interfaces qui ont tendance à ralentir les appareils. "Ce travail est passionnant car il pourrait permettre un avenir où des choses comme les montres connectées à faible consommation sont chargées sans fil à partir des données qu'elles reçoivent déjà sans jamais avoir besoin de a laisser le poignet d'une personne, " a déclaré James Custer Jr., doctorant à l'UNC-Chapel Hill's College of Arts &Sciences.

Les résultats ont été publiés le 10 avril dans la revue Science . Custer est l'auteur principal. Il a travaillé avec des collaborateurs des universités Duke et Vanderbilt.

Les électrons transportent le courant électrique, et ils ne se soucient généralement pas de la forme du fil dans lequel le courant circule. Encore, quand les choses deviennent très petites, la forme commence à avoir de l'importance. Les entonnoirs ici sont ultra-petits, plus d'un million de fois plus petit qu'un fil électrique classique. Par conséquent, les électrons à l'intérieur se comportent comme des boules de billard, rebondissant librement sur les surfaces. La forme asymétrique de l'entonnoir fait alors rebondir les électrons préférentiellement dans une direction. En effet, les électrons sont obligés de suivre une rue à sens unique.

Sous une tension continue (CC), l'entonnoir permet au courant de circuler plus facilement dans le sens direct que dans le sens inverse, créer une diode électrique. Lorsqu'un courant alternatif (AC) est appliqué, la structure ne permet toujours au courant de circuler que dans un seul sens, se comportant comme un cliquet et provoquant l'accumulation d'électrons d'un côté. Ce processus est comme une clé à douille, qui force les cliquets à produire un mouvement physique dans une seule direction.

Les travaux ont montré que ces cliquets électroniques créent des "diodes géométriques" qui fonctionnent à température ambiante et peuvent débloquer des capacités sans précédent dans le régime térahertz illusoire.

"Les diodes électriques sont un composant de base de l'électronique, et nos résultats suggèrent qu'il pourrait y avoir un paradigme complètement différent pour la conception de diodes qui fonctionnent à des fréquences très élevées, " dit James Cahoon, professeur agrégé de chimie. Cahoon est l'auteur correspondant et a dirigé le groupe de recherche de l'étude. "Les résultats sont possibles parce que nous cultivons les structures de bas en haut, en utilisant un procédé de synthèse qui donne une précision géométrique, matériaux monocristallins."

Les cliquets électroniques sont créés par un procédé précédemment développé dans le groupe Cahoon appelé ENGRAVE, qui signifie "Croissance et apparence de nanofils codés via VLS et gravure". ENGRAVE utilise un procédé vapeur-liquide-solide pour faire croître chimiquement des cylindres monocristallins de silicium, appelés nanofils, avec une géométrie définie avec précision.

"Une grande partie du travail dans ce domaine a déjà été effectuée avec des matériaux coûteux à des températures cryogéniques, mais nos travaux mettent en évidence que les diodes géométriques réalisées avec du silicium relativement bon marché peuvent fonctionner à température ambiante, qui nous a même surpris au début, ", a déclaré Custer. "Nous espérons que nos résultats susciteront un regain d'intérêt pour les diodes géométriques."

Les diodes sont l'épine dorsale de toute technologie; ils permettent aux ordinateurs de traiter les données en codant les signaux sous forme de 1 et de 0. Traditionnellement, les diodes nécessitent des interfaces entre les matériaux, comme entre les semi-conducteurs de type n et de type p ou entre les semi-conducteurs et les métaux. Par contre, les diodes géométriques sont constituées d'un seul matériau et utilisent simplement la forme pour diriger les charges préférentiellement dans une direction.

Avec un développement continu, les cliquets électroniques à nanofils promettent d'ouvrir une vitesse élevée, voie à sens unique vers les nouvelles technologies.