Dans la volonté de devenir petit, Robert Wolkow et son laboratoire de l'Université de l'Alberta font des pas de géant.

L'ère numérique a entraîné une succession de plus petits, des technologies plus propres et moins gourmandes en énergie depuis l'époque où l'ordinateur personnel tenait sur un bureau, remplaçant les modèles d'ordinateur central qui remplissaient autrefois des pièces entières. Les PC de bureau ont depuis cédé la place à des ordinateurs portables de plus en plus petits, smartphones et appareils que la plupart d'entre nous transportons dans nos poches.

Mais comme le souligne Wolkow, ce rétrécissement technologique ne peut aller plus loin qu'avec l'utilisation de circuits intégrés traditionnels à base de transistors. C'est pourquoi lui et son équipe de recherche visent à construire des technologies entièrement nouvelles à l'échelle atomique.

"Notre objectif ultime est de fabriquer de l'électronique à ultra-basse consommation car c'est ce qui est le plus demandé par le monde en ce moment, " dit Wolkow, la chaire iCORE en technologies de l'information et des communications à l'échelle nanométrique de la Faculté des sciences. "Nous approchons de certaines limites fondamentales qui mettront fin à la campagne de 30 ans pour accélérer les choses, moins cher, mieux et plus petit; cela va bientôt se terminer.

"Une méthode de calcul entièrement nouvelle sera nécessaire."

Electronique à l'échelle atomique

Wolkow et son équipe du département de physique de l'Université de l'Alberta et de l'Institut national de nanotechnologie travaillent à la conception de technologies atomiquement précises qui ont des effets pratiques, applications du monde réel. Son laboratoire a déjà fait son entrée dans le Livre Guinness des records du monde pour avoir inventé l'objet le plus pointu au monde :une pointe de microscope d'un atome de large à son extrémité.

Ils ont fait une percée antérieure en 2009 en créant les plus petits points quantiques jamais créés – un seul atome de silicium mesurant moins d'un nanomètre de large – en utilisant une technique qui recevra un brevet américain plus tard ce mois-ci.

Points quantiques, Wolkow dit, sont des vaisseaux qui confinent les électrons, un peu comme des poches sur une table de billard. Les points peuvent être espacés de sorte que les électrons puissent être dans deux poches en même temps, leur permettant d'interagir et de partager des électrons, un niveau de contrôle qui les rend parfaitement adaptés aux circuits de type informatique.

"Cela pourrait être aussi important que le transistor, " dit Wolkow. " Il jette les bases d'une toute nouvelle base de l'électronique, et en particulier, électronique ultra-basse consommation."

De nouvelles découvertes ouvrent la voie à une nanoélectronique supérieure

Wolkow et son équipe se sont appuyés sur leurs succès antérieurs, modifier les microscopes à effet tunnel avec leur pointe de microscope atome-large, qui émet des ions au lieu de la lumière à une résolution supérieure. Comme l'aiguille d'un tourne-disque, les microscopes peuvent tracer la topographie des atomes de silicium, détecter les caractéristiques de la surface à l'échelle atomique.

Dans un nouvel article publié dans Lettres d'examen physique , le post-doctorant Bruno Martins avec Wolkow et d'autres membres de l'équipe, observé pour la première fois comment un courant électrique circule à travers la peau d'un cristal de silicium et a également mesuré la résistance électrique lorsque le courant se déplaçait sur une seule étape atomique.

Wolkow dit que les cristaux de silicium sont pour la plupart lisses, à l'exception de ces escaliers atomiques, de légères imperfections, chaque marche ayant une hauteur d'un atome. Connaître les causes de la résistance électrique et être capable d'enregistrer l'amplitude de la résistance ouvre la voie à la conception de dispositifs nanoélectroniques supérieurs, il dit.

Dans une autre première, cette fois dirigé par le doctorant Marco Taucer, l'équipe de recherche a observé comment des électrons isolés entrent et sortent des points quantiques, et conçu une méthode pour surveiller le nombre d'électrons dans la poche et mesurer la charge du point. Autrefois, de telles observations étaient impossibles parce que l'acte même d'essayer de mesurer quelque chose d'aussi extraordinairement petit le change, dit Wolkow.

"Imaginez que si vous regardiez quelque chose avec vos yeux, le fait de le regarder l'a plié d'une manière ou d'une autre, " dit-il. " Nous pouvons maintenant éviter cette perturbation due à la recherche, et peut ainsi accéder et déployer utilement les points dans les circuits."

Les conclusions de l'équipe, également publié dans Lettres d'examen physique , donner aux scientifiques la possibilité de surveiller la charge des points quantiques. Ils ont également trouvé un moyen de créer des points quantiques qui fonctionnent à température ambiante, ce qui signifie qu'une cryogénie coûteuse n'est pas nécessaire.

"C'est excitant parce que, soudainement, des choses considérées comme exotiques, les idées lointaines sont proches. Nous pensons que nous pouvons les construire."

Mettre la prochaine génération d'électronique sur le marché

Wolkow et son équipe croient tellement au potentiel commercial des circuits à l'échelle atomique, il y a deux ans, ils ont lancé leur propre entreprise dérivée, Quantum Silicon Inc. Au cours des cinq à six prochaines années, QSI prévoit de démontrer le potentiel de ces circuits « extrêmement verts » qui peuvent utiliser des circuits plus petits, batteries plus durables.

Cela les fait également passer du domaine de la recherche fondamentale à la recherche appliquée et aux scénarios du monde réel, dit Wolkow.

"Nous avons cette belle connexion où nous avons un terrain d'entraînement pour les étudiants et des ambitions très académiques pour le progrès, mais ces choses se transfèrent tout naturellement et immédiatement à cette entité pratique."

Une grande partie de leurs efforts se concentrera initialement sur la création de technologies hybrides, en ajoutant des circuits à l'échelle atomique à des appareils électroniques conventionnels tels que des appareils GPS ou des satellites, comme le remplacement d'un maillon d'une chaîne étant donné le temps qu'exige la fabrication des nouveaux circuits. Cela pourrait prendre une décennie avant qu'il soit possible de produire en masse des circuits à l'échelle atomique, mais le potentiel futur est très fort, dit Wolkow.

"Cela a le potentiel de changer totalement la base électronique du monde. C'est une perspective de mille milliards de dollars."