Pour construire les puces informatiques du futur, les concepteurs devront comprendre comment une charge électrique se comporte lorsqu'elle est confinée à des fils métalliques de quelques largeurs d'atomes seulement.
Maintenant, une équipe de physiciens de l'Université McGill, en collaboration avec des chercheurs de General Motors R&D, ont montré que le courant électrique peut être considérablement réduit lorsque des fils de deux métaux différents se rencontrent. La réduction étonnamment forte du courant révèle un défi important qui pourrait façonner les choix de matériaux et la conception de dispositifs dans le domaine émergent de la nanoélectronique.
La taille des fonctionnalités dans les circuits électroniques diminue chaque année, grâce à la miniaturisation agressive prescrite par la loi de Moore, qui postulait que la densité des transistors sur les circuits intégrés doublerait tous les 18 mois environ. Ce progrès constant permet de trimballer des ordinateurs dans nos poches, mais pose de sérieux défis. Au fur et à mesure que la taille des caractéristiques diminue au niveau des atomes, la résistance au courant n'augmente plus à un rythme constant à mesure que les appareils rétrécissent ; au lieu de cela, la résistance "saute, " afficher les effets contre-intuitifs de la mécanique quantique, dit Peter Grütter, professeur de physique à McGill.
"Vous pourriez utiliser l'analogie d'un tuyau d'arrosage, " explique Grütter. " Si vous maintenez la pression de l'eau constante, moins d'eau sort lorsque vous réduisez le diamètre du tuyau. Mais si vous deviez réduire le tuyau à la taille d'une paille de seulement deux ou trois atomes de diamètre, le débit ne diminuerait plus à un taux proportionnel à la section transversale du tuyau ; cela varierait d'une manière quantifiée ('jumpy')."
Cette "étrangeté quantique" est exactement ce que les chercheurs de McGill et de General Motors ont observé, comme décrit dans un nouvel article paru dans Actes de l'Académie nationale des sciences . Les chercheurs ont étudié un contact ultra-petit entre l'or et le tungstène, deux métaux actuellement utilisés en combinaison dans des puces informatiques pour connecter différents composants fonctionnels d'un appareil.
Du côté expérimental de la recherche, Le laboratoire du professeur Grütter a utilisé des techniques de microscopie avancées pour imager une sonde en tungstène et une surface en or avec une précision atomique, et de les assembler mécaniquement d'une manière contrôlée avec précision. Le courant électrique à travers le contact résultant était beaucoup plus faible que prévu. La modélisation mécanique de la structure atomique de ce contact a été réalisée en collaboration avec Yue Qi, chercheur au Centre de R&D de General Motors à Warren, MI.
La modélisation électrique de pointe par Jesse Maassen dans le groupe de recherche en physique McGill du professeur Hong Guo a confirmé ce résultat, montrant que les dissemblances dans la structure électronique entre les deux métaux conduisent à une diminution de quatre fois le flux de courant, même pour une interface parfaite. Les chercheurs ont en outre découvert que les défauts cristallins - les déplacements de l'arrangement normalement parfait des atomes - générés par la mise en contact mécanique des deux matériaux étaient une autre raison de la réduction observée du courant.
"La taille de cette baisse est bien plus importante que ce à quoi la plupart des experts s'attendraient - de l'ordre de 10 fois plus, " note le professeur Grütter.
Les résultats indiquent un besoin de recherches futures sur les moyens de surmonter ce défi, éventuellement par le choix des matériaux ou d'autres techniques de traitement. "La première étape pour trouver une solution est d'être conscient du problème, » note Grütter. « C'est la première fois qu'il est démontré qu'il s'agit d'un problème majeur » pour les systèmes nanoélectroniques.
