Le silicium a peu de concurrents sérieux en tant que matériau de choix dans l'industrie électronique. Pourtant des transistors, les vannes commutables qui contrôlent le flux d'électrons dans un circuit, ne peut pas simplement continuer à rétrécir pour répondre aux besoins de puissants, appareils compacts; les limitations physiques comme la consommation d'énergie et la dissipation de chaleur sont trop importantes.

Maintenant, utilisant un matériau quantique appelé oxyde corrélé, Des chercheurs de Harvard ont obtenu un changement réversible de la résistance électrique de huit ordres de grandeur, un résultat que les chercheurs qualifient de « colossal ». En bref, ils ont conçu ce matériau pour qu'il soit comparable aux meilleurs commutateurs au silicium.

La découverte a eu lieu dans ce qui peut sembler un endroit improbable :un laboratoire habituellement consacré à l'étude des piles à combustible - le genre qui fonctionnent au méthane ou à l'hydrogène - dirigé par Shriram Ramanathan, Professeur agrégé de science des matériaux à la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). La familiarité des chercheurs avec les couches minces et le transport ionique leur a permis d'exploiter la chimie, plutôt que la température, pour obtenir le résultat dramatique.

Parce que les oxydes corrélés peuvent fonctionner aussi bien à température ambiante qu'à quelques centaines de degrés au-dessus, il serait facile de les intégrer dans des dispositifs électroniques et des méthodes de fabrication existants. La découverte, Publié dans Communication Nature , établit donc fermement les oxydes corrélés comme des semi-conducteurs prometteurs pour les futurs circuits intégrés tridimensionnels ainsi que pour les circuits adaptatifs, dispositifs photoniques accordables.

Silicium difficile

Bien que les fabricants d'électronique continuent d'emballer plus de vitesse et de fonctionnalités dans des boîtiers plus petits, les performances des composants à base de silicium vont bientôt se heurter à un mur.

"Les transistors au silicium traditionnels ont des limites d'échelle fondamentales, " dit Ramanathan. " Si vous les réduisez au-delà d'une certaine taille de fonctionnalité minimale, ils ne se comportent pas tout à fait comme ils le devraient."

Pourtant, les transistors au silicium sont difficiles à battre, avec un rapport marche/arrêt d'au moins 10^4 requis pour une utilisation pratique. "C'est une barre assez haute à franchir, ", explique Ramanathan, ajoutant que jusqu'à présent, des expériences utilisant des oxydes corrélés ont produit des changements d'environ un facteur 10 seulement, ou 100 au plus, proche de la température ambiante. Mais Ramanathan et son équipe ont conçu un nouveau transistor, composé principalement d'un oxyde appelé nickelate de samarium, qui, en fonctionnement pratique, atteint un rapport marche/arrêt supérieur à 10^5, c'est-à-dire comparable aux transistors au silicium de pointe.

Dans des travaux futurs, les chercheurs étudieront la dynamique de commutation et la dissipation de puissance de l'appareil ; pendant ce temps, cette avancée représente une preuve de concept importante.

"Notre transistor orbital pourrait vraiment repousser les frontières de ce domaine et dire, vous savez quoi? C'est un matériau qui peut défier le silicium, " dit Ramanathan.

Dopage chimique à l'état solide

Les scientifiques des matériaux étudient la famille des oxydes corrélés depuis des années, mais le domaine en est encore à ses balbutiements, avec la plupart des recherches visant à établir les propriétés physiques de base des matériaux.

"Nous venons de découvrir comment doper ces matériaux, qui est une étape fondamentale dans l'utilisation de tout semi-conducteur, " dit Ramanathan.

Le dopage est le processus d'introduction de différents atomes dans la structure cristalline d'un matériau, et cela affecte la facilité avec laquelle les électrons peuvent le traverser, c'est-à-dire dans quelle mesure il résiste ou conduit l'électricité. Le dopage effectue généralement ce changement en augmentant le nombre d'électrons disponibles, mais cette étude était différente. L'équipe de Harvard a manipulé la bande interdite, la barrière énergétique au flux d'électrons.

"Par un certain choix de dopants - dans ce cas, hydrogène ou lithium - on peut élargir ou réduire la bande interdite dans ce matériau, déplacer de manière déterministe des électrons dans et hors de leurs orbitales, " dit Ramanathan. C'est une approche fondamentalement différente de celle utilisée dans les autres semi-conducteurs. La méthode traditionnelle modifie le niveau d'énergie pour atteindre la cible; la nouvelle méthode déplace la cible elle-même.

Dans ce transistor orbital, les protons et les électrons entrent ou sortent du nickelate de samarium lorsqu'un champ électrique est appliqué, quelle que soit la température, ainsi l'appareil peut être utilisé dans les mêmes conditions que l'électronique conventionnelle. C'est à l'état solide, ce qui signifie qu'il n'implique aucun liquide, des gaz, ou des pièces mécaniques en mouvement. Et, en l'absence de pouvoir, le matériau se souvient de son état actuel, une caractéristique importante pour l'efficacité énergétique.

"C'est la beauté de ce travail, " dit Ramanathan. " C'est un effet exotique, mais en principe, il est hautement compatible avec les appareils électroniques traditionnels."

Matériaux quantiques

Contrairement au silicium, le nickelate de samarium et d'autres oxydes corrélés sont des matériaux quantiques, ce qui signifie que les interactions de la mécanique quantique ont une influence dominante sur les propriétés des matériaux, et pas seulement à petite échelle.

"Si vous avez deux électrons dans des orbitales adjacentes, et les orbitales ne sont pas complètement remplies, dans un matériau traditionnel les électrons peuvent se déplacer d'une orbitale à une autre. Mais dans les oxydes corrélés, les électrons se repoussent tellement qu'ils ne peuvent pas bouger, " explique Ramanathan. " L'occupation des orbitales et la capacité des électrons à se déplacer dans le cristal sont très étroitement liées - ou " corrélées ". Fondamentalement, c'est ce qui dicte si le matériau se comporte comme un isolant ou un métal."

Ramanathan et d'autres à SEAS ont manipulé avec succès la transition métal-isolant dans l'oxyde de vanadium, trop. En 2012, ils ont démontré un dispositif accordable qui peut absorber 99,75 % de la lumière infrarouge, apparaissant en noir aux caméras infrarouges.

De la même manière, le nickelate de samarium est susceptible d'attirer l'attention des physiciens appliqués développant des dispositifs photoniques et optoélectroniques.

« Ouvrir et fermer la bande interdite signifie que vous pouvez désormais manipuler les manières dont le rayonnement électromagnétique interagit avec votre matériau, " dit Jian Shi, auteur principal de l'article en Communication Nature . Il a terminé la recherche en tant que boursier postdoctoral dans le laboratoire de Ramanathan à Harvard SEAS et a rejoint le corps professoral du Rensselaer Polytechnic Institute cet automne. "Juste en appliquant un champ électrique, vous contrôlez dynamiquement la façon dont la lumière interagit avec ce matériau."

Plus loin, Chercheurs du Centre des matériaux quantiques intégrés, établi à Harvard en 2013 grâce à une subvention de la National Science Foundation, visent à développer une toute nouvelle classe de dispositifs et de systèmes électroniques quantiques qui transformeront le traitement et le calcul du signal.

Ramanathan compare l'état actuel de la recherche sur les matériaux quantiques aux années 1950, quand les transistors venaient d'être inventés et que les physiciens les comprenaient encore. "Nous sommes fondamentalement dans cette ère pour ces nouveaux matériaux quantiques, " dit-il. " C'est un moment passionnant pour réfléchir à l'établissement de la base, propriétés fondamentales. Dans la décennie à venir, cela pourrait vraiment devenir une plate-forme d'appareils très excitante."