Que pourrions-nous faire avec des structures en couches avec juste les bonnes couches ? Quelles seraient les propriétés des matériaux si nous pouvions vraiment arranger les atomes comme nous le voulons ?

Le curieux physicien américain Richard Feynman a posé ces questions dans sa conférence historique de 1959, Il y a beaucoup de place en bas. Il regorgeait d'idées profondes sur "la manipulation et le contrôle des choses à l'échelle atomique", en utilisant la mécanique quantique.

Tiré par les cheveux à l'époque, maintenant, la manipulation de couches d'atomes est un domaine de recherche majeur. Pour réaliser la vision de Feynman, des chercheurs d'IBM et des Bell Labs aux États-Unis ont dû concevoir une nouvelle approche pour construire des matériaux couche par couche :l'épitaxie par jets moléculaires ou MBE.

Cela peut être comparé à de la peinture au pistolet avec des atomes. Vous commencez par vaporiser des matières premières ultra-pures comme le gallium, aluminium ou indium, et les combiner avec les goûts de l'arsenic ou du phosphore. Les atomes vaporisés volent à travers une chambre à vide vers une couche de base constituée de matériaux similaires. Les atomes s'y collent et construisent lentement un cristal, une couche atomique à la fois. Le vide ultra poussé garantit un minimum d'impuretés.

Architectes atomiques

Bien que le processus soit relativement lent – ​​généralement seulement quelques couches atomiques par minute – la précision est remarquable. Il permet aux techniciens d'empiler différents matériaux semi-conducteurs les uns sur les autres pour créer des cristaux appelés hétérostructures, qui peut avoir des propriétés extrêmement utiles. En empilant alternativement des couches d'arséniure d'aluminium et d'arséniure de gallium, par exemple, vous pourriez produire un matériau extrêmement efficace pour stocker l'électricité.

Une fois cette technique perfectionnée dans les années 1990 et 2000, les scientifiques ont pu contrôler le nombre d'électrons et leurs énergies dans un cristal particulier. Et puisque la lumière interagit alors avec ces électrons, avoir plus de contrôle sur le comportement des électrons signifie que vous gagnez également plus de contrôle sur la façon dont ils sont stimulés par la lumière.

Les hétérostructures ont conduit à de nombreuses nouvelles découvertes, en particulier en ce qui concerne le comportement quantique des particules telles que les électrons qu'elles contiennent. Les prix Nobel de physique ont été décernés cinq fois (1973, 1985, 1998, 2000, et 2014), et les matériaux qui en résultent ont révolutionné la civilisation.

Les hétérostructures semi-conductrices permettent aux cellules solaires, LED, lasers et transistors ultra-rapides. Même Internet serait autrement impossible :les lasers qui envoient les impulsions lumineuses qui codent les bits d'information en ligne sont constitués d'hétérostructures, de même que les photodétecteurs qui mesurent ces impulsions lumineuses et décodent les informations.

Il y a des restrictions, toutefois. La taille atomique, l'espacement et la disposition de ces hétérostructures ne peuvent pas être trop dissemblables entre les couches sans que des défauts n'apparaissent. Cela limite les combinaisons de matériaux possibles et la possibilité de concevoir librement les propriétés électroniques et optiques.

Aussi, les cristaux sont naturellement constitués d'atomes qui forment des liaisons dans les trois directions. Cela signifie qu'il y a toujours des atomes insatisfaits avec des liaisons "pendantes" sur les bords. Les impuretés étrangères recherchent ces liaisons et créent des défauts qui peuvent détruire d'autres propriétés. Cela devient particulièrement important avec des cristaux plus petits, empêchant leur intégration complète dans les transistors modernes, lasers et ainsi de suite.

Entrez les cristaux 2-D

Le nec plus ultra des feuilles de matériaux ultra-minces est une seule couche d'atomes. Heureusement, la nature a conçu de tels "cristaux bidimensionnels". Le plus connu est le graphène, qui ne sont que des atomes de carbone disposés selon un motif hexagonal.

Le graphène est plus résistant que l'acier et conduit mieux l'électricité que le cuivre. Il a beaucoup d'électronique unique et parfois exotique, propriétés optiques et mécaniques - telles que reconnues par le prix Nobel de physique pour sa découverte en 2010.

Dans un cristal de graphène parfait, tous les atomes sont complètement liés les uns aux autres et il n'y a pas de liaisons pendantes. Il est notoirement possible de produire du graphène en décollant des couches de graphite à l'aide de scotch :le graphite est en fait constitué de plusieurs couches de graphène, toutes maintenues ensemble par les forces de Van der Waals, qui sont beaucoup plus faibles que les liaisons de chaque feuille constitutive du graphène.

Outre le graphène, il existe de nombreux autres cristaux 2-D, chacun avec des propriétés uniques. Plusieurs se produisent naturellement sous forme de pierres précieuses dans le sol, tels que le bisulfure de molybdnimum, un important lubrifiant industriel. D'autres peuvent être réalisés par épitaxie par faisceau moléculaire, tels que l'isolant nitrure de bore, et des cristaux de la même famille de dichalcogénures de métaux de transition que le disulfure de molybdnimum.

Comme le graphène est au graphite, les scientifiques "décollent" (ou exfolient) des feuilles simples 2-D à partir de plus grandes quantités de ces composés. La minceur inhérente de ces feuilles signifie qu'elles peuvent se comporter assez différemment des hétérostructures décrites précédemment. Différents matériaux atomiquement minces peuvent être isolants, semi-conducteur, métallique, magnétique ou même supraconducteur.

Les scientifiques sont également capables de choisir, placer et combiner à volonté ces matériaux pour former de nouvelles hétérostructures, dites hétérostructures de Van der Waals, avec des propriétés différentes des feuilles 2-D. Surtout, ceux-ci n'ont pas les mêmes limitations que leurs cousins ​​fabriqués par épitaxie par faisceau moléculaire. Ils peuvent comprendre des couches de cristaux atomiques très différents, permettant des possibilités sans précédent et illimitées pour combiner différents matériaux.

Par exemple, vous pouvez combiner des couches magnétiques avec des semi-conducteurs et des isolants sans attirer des contaminants comme l'humidité ou les oxydes entre les couches - impossible avec les hétérostructures épitaxiales. Cela peut être utilisé pour créer des dispositifs qui contrôlent le magnétisme en utilisant l'électricité, qui est la base de la mémoire magnétique dans les disques durs.

Vous pouvez également empiler deux couches atomiques identiques dont une tournée en biais. Cela crée un réseau appelé motif moiré, qui offre un nouveau degré de liberté pour concevoir les propriétés électroniques et optiques. Les images que nous utilisons pour le démontrer lors de l'exposition d'été de la Royal Society à Londres donnent un aperçu de la façon dont cela fonctionne :

Alors que les hétérostructures de Van der Waals en sont encore à leurs balbutiements, une nouvelle physique et de nouvelles capacités impressionnantes sont déjà en train d'émerger. Ceux-ci incluent les plus petits, briquet, des versions plus flexibles et plus efficaces des cellules solaires, LED, transistors et mémoire magnétique.

Dans le futur, on peut s'attendre à des surprises dont on n'avait pas rêvé auparavant. Un premier exemple est la découverte récente que lorsque vous tordez deux couches de graphène à un "angle magique" l'une par rapport à l'autre, les électrons deviennent supraconducteurs. Cette percée, pas encore bien compris, pourrait percer des mystères vieux de 30 ans sur la façon dont les électrons peuvent naviguer dans les supraconducteurs sans perdre aucune énergie. Cela pourrait nous permettre d'utiliser des supraconducteurs à température ambiante, avec des avantages potentiels pour tout, de l'imagerie médicale et des ordinateurs quantiques à la transmission d'électricité sur de longues distances.

Prédire les résultats technologiques n'est pas facile, toutefois. Comme Herbert Kroemer, qui a partagé le prix Nobel en 2000 pour le développement d'hétérostructures semi-conductrices utilisées en haute vitesse et en opto-électronique, disait souvent :« Les principales applications de toute technologie suffisamment nouvelle et innovante ont toujours été et continueront d'être des applications créées par cette technologie.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.