Robert Wolkow, Professeur de physique à l'Université de l'Alberta et agent de recherche principal à l'Institut national de nanotechnologie du Canada. Crédit :John Ulan pour l'Université de l'Alberta
Avec une histoire riche qui comprend plus d'un demi-siècle de recherche, un prix Nobel, et de multiples tentatives d'applications pratiques, l'histoire de la résistance différentielle négative - ou NDR - se lit comme un mystère scientifique, un mystère que les physiciens de l'Université de l'Alberta ont enfin réussi à percer.
Qu'est-ce que ça veut dire? Une opportunité de combiner les connaissances avec la technologie existante pour créer plus rapidement, moins cher, et petits appareils électroniques, une aubaine pour le boom continu de l'ère numérique.
NDR est un effet étrange. Nous pouvons l'imaginer en pensant à l'eau poussée à travers un tuyau. Plus la pression est élevée, plus le débit est rapide. Les électrons dans un fil agissent de la même manière, sauf que la tension est appliquée au lieu de la pression pour induire le flux. Avec de l'eau, une pression accrue équivaut à un débit accru, mais dans des circonstances particulières avec l'électricité, il y a parfois un effet inverse et contre-intuitif où le débit ralentit :c'est la résistance différentielle négative.
La première tentative d'application pratique de NDR, la diode Esaki, nommé pour l'inventeur physicien japonais Leo Esaki, a été reçu dans les années 1950 avec beaucoup d'enthousiasme, certains le proclamant même plus important que le transistor. L'ouvrage a reçu un prix Nobel. Peu de temps après, il est devenu clair que la production de masse était trop difficile, l'appareil autrefois annoncé a été relégué aux applications de niche.
Reproduire l'effet NDR d'une manière qui pourrait être largement déployée est resté un objectif séduisant. Des alternatives à la diode Esaki ont été trouvées, mais ceux-là aussi ont résisté à la production de masse. L'avènement des microscopes à effet tunnel dans les années 80 et l'accès qu'ils offrent aux propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique ont conduit à des signatures NDR alléchantes à partir d'irrégularités structurelles à l'échelle atomique dans le silicium. L'excitation a été ravivée, mais une compréhension et une fabrication adéquates sont restées insaisissables.
Animation de la résistance différentielle négative. Crédit :Université de l'Alberta
Avance rapide jusqu'au présent, et une équipe de physiciens dirigée par Robert Wolkow de l'Université de l'Alberta ont maintenant découvert la structure atomique précise qui donne lieu à la NDR. Par ailleurs, en tenant compte des règles particulières imposées par la mécanique quantique pour le flux d'électrons à travers un seul atome, collègue de Wolkow, le physicien théoricien Joseph Maciejko, a réussi à expliquer la réduction d'abord déroutante du courant avec l'augmentation de la tension. Ces résultats ouvrent la voie à des applications pratiques et lucratives dans l'électronique de tous les jours, comme les téléphones et les ordinateurs.
"Il s'avère que si vous pouvez facilement voir comment incorporer proprement et à moindre coût cet effet NDR dans les transistors électroniques existants, vous pouvez faire plus petit, plus rapide, appareils moins chers, " dit Wolkow. " La valeur d'un circuit hybride transistor/NDR est connue depuis des décennies, mais personne n'a été capable de le faire efficacement ou à moindre coût pour que cela en vaille la peine.
"Au cours des années, les gens ont publié des articles sur des variantes du même effet à l'échelle atomique. Malheureusement, l'énigme de la structure et de ses propriétés n'a jamais été résolue. Mais nous savons maintenant exactement pourquoi cela se produit, nous savons exactement quels éléments doivent être présents pour qu'il soit contrôlé. Nous avons défini la structure atomique exacte qui donne lieu à NDR, et heureusement c'est facile à faire. Également, nous avons enfin élucidé le mécanisme en jeu - ou devrais-je dire au travail."
Wolkow explique qu'il existe désormais un potentiel très réaliste pour combiner ce phénomène NDR avec l'électronique de tous les jours dans une pratique, moyen abordable, une avancée potentiellement valant des milliards pour l'industrie de la technologie.
« Résistance négative avec un seul atome » a été publié le 30 décembre dans Lettres d'examen physique .
