Bismuthène, une seule couche épaisse d'atomes de bismuth, est un autre matériau candidat pour un transistor topologique. Crédit :FLOTTE
De nouvelles recherches FLEET confirment le potentiel des matériaux topologiques pour réduire considérablement l'énergie consommée par l'informatique.
La collaboration des chercheurs FLEET de l'Université de Wollongong, L'Université Monash et l'UNSW ont montré dans une étude théorique que l'utilisation d'isolants topologiques plutôt que de semi-conducteurs conventionnels pour fabriquer des transistors pouvait réduire de moitié la tension de grille, et l'énergie utilisée par chaque transistor par un facteur de quatre.
Pour y parvenir, ils ont dû trouver un moyen de surmonter la fameuse « tyrannie de Boltzmann » qui impose une limite inférieure à l'énergie de commutation des transistors.
Ils ont trouvé un résultat surprenant :la tension de grille appliquée à un isolant topologique pourrait créer une barrière au flux d'électrons plus grande que la tension elle-même multipliée par la charge électronique, un résultat que l'on croyait impossible.
La mission du Centre d'excellence de l'ARC dans les futures technologies électroniques à faible consommation (FLEET) est de réduire la charge énergétique non durable des technologies de l'information et de l'informatique (TIC), consommant aujourd'hui environ 10 % de l'électricité mondiale.
Transistors :ils ne sont pas que dans la radio du hangar de grand-père
Les puces informatiques contiennent des milliards de transistors, de minuscules commutateurs électriques qui effectuent les opérations de commutation de base de l'informatique.
Aujourd'hui, les transistors individuels ne mesurent que 5 nanomètres de diamètre (5 millionièmes de millimètre).
Les transistors utilisent une tension appliquée à une électrode « grille » pour allumer et éteindre le courant circulant entre les électrodes « source » et « drain ». L'énergie utilisée pour charger l'électrode de grille est rejetée à chaque fois que chaque transistor s'allume et s'éteint. Un ordinateur typique a littéralement des milliards de transistors qui s'allument et s'éteignent des milliards de fois par seconde, ajouter à beaucoup d'énergie.
Les transistors conventionnels sont fabriqués à partir de semi-conducteurs, les matériaux qui possèdent une "bande interdite" ou une gamme d'énergies dans laquelle les électrons sont interdits. L'action de la tension appliquée à la grille est de déplacer cette gamme d'énergies interdites pour autoriser (l'état « on ») ou bloquer (l'état « arrêt ») les énergies auxquelles les électrons entrants se déplacent de la source au drain.
Dans un transistor idéal, 1 volt appliqué à la grille remonterait la gamme des énergies bloquées par 1 électron-volt.
La puce de la taille d'un timbre-poste au cœur d'un iPhone 5 compte environ un milliard de transistors. Crédit :Errol Hunt (FLOTTE)
La fuite 'Tyranny' met une limite inférieure sur l'énergie de commutation
Quelle est la taille d'une barrière nécessaire pour que le transistor fonctionne correctement ?
Le problème est que les énergies des électrons provenant de la source sont intrinsèquement « étalées » à une température finie, il y a donc toujours quelques électrons avec une énergie suffisamment élevée pour franchir la barrière. Ce courant de « fuite » entraîne un gaspillage d'énergie.
Des considérations thermodynamiques de base exigent que pour réduire le courant d'un facteur 10, il faut élever la barrière d'environ 60 milli-électron-volts à température ambiante. Mais pour éviter le gaspillage d'énergie via le courant de fuite, il faut réduire le courant d'un facteur 100 environ, 000, ou une barrière d'environ 300 milli-électron-volts, qui nécessite une tension de grille d'au moins 300 millivolts.
Cette tension de grille minimale met une limite inférieure sur l'énergie de commutation.
C'est ce qu'on appelle la « tyrannie de Boltzmann » d'après Ludwig Boltzmann qui a décrit l'étalement des énergies des particules par la température.
On pense que la tyrannie de Boltzmann limite à quel point la tension de grille de fonctionnement peut être faible pour un transistor, quel que soit le matériau dont il est fait.
Surmonter la limite de Boltzmann avec de nouveaux matériaux
Les chercheurs de FLEET étaient curieux de savoir si un effet différent pouvait être utilisé pour créer une barrière pour le flux d'électrons dans un transistor.
Dans certains matériaux, un champ électrique peut modifier la taille de la bande interdite. Ils se sont demandé si le champ électrique dû à la tension appliquée à une électrode de grille pouvait être utilisé pour étendre la bande interdite et créer une barrière aux électrons. La réponse est oui, mais pour les matériaux typiques, cet effet ne bat pas la tyrannie de Boltzmann :1 volt appliqué à la grille ne peut toujours faire qu'une barrière ne dépassant pas 1 électron-volt.
L'étude théorique confirme qu'un transistor topologique vaincra la tyrannie de Boltmann, une limite inférieure sur l'énergie d'exploitation Crédit :FLOTTE
Les chercheurs ont décidé d'examiner une classe spéciale de matériaux appelés isolants topologiques, qui ont une bande interdite qui est effectivement négative.
"Les isolants topologiques minces (bidimensionnels) sont isolants à l'intérieur, mais conduisez le long de leurs bords, " explique l'auteur principal Muhammad Nadeem (Université de Wollongong). " Dans cet état, ils peuvent fonctionner comme l'état " passant " d'un transistor, avec le courant transporté par les bords conducteurs."
"La bande interdite d'un isolant topologique peut aussi être modifiée par un champ électrique, " dit Nadeem. " Quand ça devient positif, le matériau n'est plus un isolant topologique, et n'a plus de bords conducteurs, agissant un peu comme un semi-conducteur ordinaire, avec la bande interdite agissant comme une barrière au flux d'électrons (l'état 'off')."
Cependant, l'équipe de recherche a constaté que, contrairement à un semi-conducteur ordinaire, l'augmentation de la bande interdite (en électron-volts) dans l'isolant topologique pourrait être supérieure à la tension appliquée à la grille (en volts), vaincre la tyrannie de Boltzmann.
"Les bons matériaux topologiques pourraient commuter à des tensions deux fois moins élevées qu'un transistor conventionnel similaire, qui ne nécessiterait qu'un quart de l'énergie, ", explique le co-investigateur Dimi Culcer (UNSW).
Où aller d'ici ?
De nombreux défis demeurent. L'étude n'est pour l'instant que théorique. Le co-investigateur Xiaolin Wang (UOW) a déclaré que « certains des matériaux candidats tels que le bismuthène, une couche de bismuth d'une épaisseur d'un seul atome disposée selon une structure en nid d'abeille, commencent à peine à être étudiés en laboratoire, et n'ont pas encore été transformés en transistors."
D'autres matériaux sont encore sur la planche à dessin et on ne sait pas encore comment les synthétiser. "Toutefois, " déclare le co-investigateur Michael Fuhrer (Monash), « les chercheurs de FLEET travaillent dur pour fabriquer ces nouveaux matériaux, les caractériser, et les incorporer dans des appareils électroniques.
