Une équipe internationale de chercheurs de l'Université Queen Mary de Londres, de l'Université d'Oxford, de l'Université de Lancaster et de l'Université de Waterloo a développé un nouveau transistor à molécule unique qui utilise l'interférence quantique pour contrôler le flux d'électrons. Le transistor, décrit dans un article publié dans Nature Nanotechnology , ouvre de nouvelles possibilités d'utilisation des effets quantiques dans les appareils électroniques.
Les transistors sont les éléments de base de l’électronique moderne. Ils sont utilisés pour amplifier et commuter les signaux électriques, et ils sont essentiels pour tout, des smartphones aux vaisseaux spatiaux. Cependant, la méthode traditionnelle de fabrication de transistors, qui consiste à graver du silicium dans de minuscules canaux, atteint ses limites.
À mesure que les transistors deviennent plus petits, ils deviennent de plus en plus inefficaces et sensibles aux erreurs, car des électrons peuvent fuir à travers l'appareil même lorsqu'il est censé être éteint, par un processus connu sous le nom de tunnel quantique. Les chercheurs explorent de nouveaux types de mécanismes de commutation qui peuvent être utilisés avec différents matériaux pour supprimer cet effet.
Dans les structures nanométriques étudiées par le professeur Jan Mol et le Dr James Thomas et leur groupe à l'École des sciences physiques et chimiques Queen Mary, les effets de la mécanique quantique dominent et les électrons se comportent comme des ondes plutôt que comme des particules. Profitant de ces effets quantiques, les chercheurs ont construit un nouveau transistor.
Le canal conducteur du transistor est une unique porphyrine de zinc, une molécule capable de conduire l'électricité. La porphyrine est prise en sandwich entre deux électrodes de graphène, et lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes, le flux d'électrons à travers la molécule peut être contrôlé à l'aide d'une interférence quantique.
L'interférence est un phénomène qui se produit lorsque deux ondes interagissent l'une avec l'autre et soit s'annulent (interférence destructrice), soit se renforcent (interférence constructive). Dans le cas du nouveau transistor, les chercheurs ont allumé et éteint le transistor en contrôlant si les électrons interfèrent de manière constructive (on) ou destructrice (off) lorsqu'ils traversent la molécule de porphyrine de zinc.
Les chercheurs ont découvert que le nouveau transistor présente un rapport marche/arrêt très élevé, ce qui signifie qu'il peut être activé et désactivé de manière très précise. L'interférence quantique destructrice joue un rôle crucial à cet égard en éliminant le flux d'électrons qui fuit provenant du tunnel quantique à travers le transistor lorsqu'il est censé être désactivé.
Ils ont également constaté que le transistor est très stable. Les transistors précédents fabriqués à partir d’une seule molécule n’étaient capables de démontrer qu’une poignée de cycles de commutation. Cependant, cet appareil peut fonctionner pendant des centaines de milliers de cycles sans tomber en panne.
"L'interférence quantique est un phénomène puissant qui a le potentiel d'être utilisé dans une grande variété d'applications électroniques", a déclaré l'auteur principal, le Dr James Thomas, maître de conférences en technologies quantiques à Queen Mary. "Nous pensons que notre travail constitue une étape importante vers la réalisation de ce potentiel."
"Nos résultats montrent que l'interférence quantique peut être utilisée pour contrôler le flux d'électrons dans les transistors et que cela peut être fait de manière à la fois efficace et fiable", a déclaré le professeur Jan Mol, co-auteur de l'étude. "Cela pourrait conduire au développement de nouveaux types de transistors plus petits, plus rapides et plus économes en énergie que les appareils actuels."
Les chercheurs ont également découvert que les effets d'interférence quantique pourraient être utilisés pour améliorer l'oscillation inférieure au seuil du transistor, qui mesure la sensibilité du transistor aux changements de tension de grille. Plus l'oscillation inférieure au seuil est faible, plus le transistor est efficace.
Les transistors des chercheurs avaient une oscillation inférieure au seuil de 140 mV/déc, ce qui est meilleur que les oscillations inférieures au seuil signalées pour d'autres transistors à molécule unique et comparable à des dispositifs plus grands fabriqués à partir de matériaux tels que les nanotubes de carbone.
La recherche en est encore à ses débuts, mais les chercheurs sont optimistes quant au fait que le nouveau transistor pourrait être utilisé pour créer une nouvelle génération d'appareils électroniques. Ces appareils pourraient être utilisés dans diverses applications, depuis les ordinateurs et les smartphones jusqu'aux dispositifs médicaux.
Plus d'informations : Zhixin Chen et al, L'interférence quantique améliore les performances des transistors à molécule unique, Nature Nanotechnology (2024). DOI : 10.1038/s41565-024-01633-1
Informations sur le journal : Nanotechnologie naturelle
Fourni par Queen Mary, Université de Londres
