Une étude montrant comment les électrons circulent autour de virages serrés, tels que ceux que l'on trouve dans les circuits intégrés, a le potentiel d'améliorer la façon dont ces circuits, couramment utilisés dans les appareils électroniques et optoélectroniques, sont conçus.

On sait théoriquement depuis environ 80 ans que lorsque les électrons se déplacent dans des virages, ils ont tendance à s'échauffer parce que leurs lignes d'écoulement sont localement écrasées. Cependant, jusqu'à présent, personne n'avait mesuré la chaleur, pour laquelle il faut d'abord imager les lignes d'écoulement.

L'équipe de recherche, dirigée par Nathaniel M. Gabor de l'Université de Californie à Riverside, a photographié les lignes de courant électrique en concevant un « électrofoil », un nouveau type de dispositif qui permet la contorsion, la compression et l'expansion des lignes de courants électriques. de la même manière, les ailes d'un avion se tordent, se compriment et dilatent le flux d'air.

"La charge électrique se déplace de la même manière que l'air circule sur la surface d'une aile d'avion", a déclaré Gabor, professeur de physique et d'astronomie. "Bien qu'il soit facile d'imaginer le flux d'air en utilisant, par exemple, des flux de fumée ou de vapeur dans une soufflerie, comme on le voit souvent dans les publicités automobiles, il est beaucoup plus difficile d'imaginer les lignes aérodynamiques des courants électriques."

Gabor a déclaré que l'équipe avait combiné l'imagerie laser avec de nouveaux dispositifs sensibles à la lumière pour obtenir les premières images de lignes de photocourant via un dispositif fonctionnel. Un photocourant est un courant électrique induit par l'action de la lumière.

"Si vous savez comment les électrons circulent, vous pouvez alors savoir comment éviter qu'ils ne provoquent des effets néfastes, tels que l'échauffement du circuit", a déclaré Gabor. "Grâce à notre technique, vous pouvez désormais évaluer exactement où et comment les électrons circulent, ce qui nous donne un outil puissant pour visualiser, caractériser et mesurer le flux de charge dans les dispositifs optoélectroniques."

Le document de recherche s'intitule "Mapping the intrinsèque photocurrent rationalise through micromagnétique hétérostructure devices" et apparaît dans les Actes de l'Académie nationale des sciences. .

Gabor a expliqué que lorsque les électrons gagnent de l'énergie cinétique, ils se réchauffent. En fin de compte, ils chauffent les matériaux qui les entourent, comme les fils qui peuvent risquer de fondre.

"Si vous rencontrez un pic de chaleur dans votre ordinateur, vos circuits commencent à mourir", a-t-il déclaré. "C'est pourquoi lorsque nos ordinateurs surchauffent, ils s'éteignent. C'est pour protéger les circuits qui pourraient être endommagés à cause de toute la chaleur dissipée dans les métaux."

L'équipe de Gabor a conçu les électrofoils en laboratoire sous la forme de petites ailes dans des dispositifs à l'échelle nanométrique qui font circuler les électrons autour d'eux, de la même manière que les molécules d'air circulent autour d'une aile d'avion.

"Nous voulions une forme qui puisse nous donner différentes vitesses de rotation, quelque chose avec une courbure continue", a déclaré Gabor.

"Nous nous sommes inspirés des ailes d'avion, qui ont une courbure progressive. Nous avons forcé le courant à circuler autour de l'électrofoil, qui offre différents angles de vol. Plus l'angle est aigu, plus la compression des lignes d'écoulement est importante. Dans de plus en plus de matériaux , nous commençons à découvrir que les électrons se comportent comme des liquides. Ainsi, plutôt que de concevoir des dispositifs basés, par exemple, sur une résistance électrique, nous pouvons adopter une approche en pensant à la plomberie et concevoir des pipelines dans lesquels les électrons peuvent circuler. "

Dans leurs expériences, Gabor et ses collègues ont utilisé une méthode de microscopie qui utilise un champ magnétique rotatif uniforme pour imager les lignes de photocourant à travers des dispositifs ultra-minces constitués d'une couche de platine sur du grenat d'yttrium et de fer, ou YIG. YIG est un isolant mais permet un effet de champ magnétique lorsqu'une fine couche de platine y est collée.

"L'effet du champ magnétique n'apparaît qu'à l'interface de ce cristal de grenat et du platine", a déclaré Gabor. "Si vous pouvez contrôler le champ magnétique, vous contrôlez le courant."

Pour générer un photocourant dans une direction souhaitée, les chercheurs ont dirigé un faisceau laser sur YIG, le laser servant de source de chaleur locale. Un effet connu sous le nom de « effet photo-Nernst » génère le photocourant dont la direction est contrôlée par le champ magnétique externe.

"L'imagerie directe permettant de suivre les flux de photocourant dans les dispositifs optoélectroniques quantiques reste un défi majeur dans la compréhension du comportement des dispositifs exotiques", a déclaré Gabor. "Nos expériences montrent que la microscopie rationalisée à photocourant est un nouvel outil expérimental robuste pour visualiser un photocourant dans les matériaux quantiques. Cet outil nous aide à observer comment les électrons se comportent mal."

Gabor a expliqué qu'il est bien connu que les électrons se comportent de « manières étranges » dans des conditions spécifiques, en particulier dans les très petits appareils.

"Notre technique peut désormais être utilisée pour mieux les étudier", a-t-il déclaré. "Si j'essayais de concevoir un circuit intégré et que je voulais savoir d'où la chaleur pourrait provenir de celui-ci, je voudrais savoir où les lignes de flux de courant sont comprimées. Notre technique peut aider à concevoir des circuits et à estimer ce qu'il faut éviter et vous suggère de le faire. vos fils ne doivent pas être courbés brusquement. Les fils doivent être progressivement courbés. Mais ce n'est pas l'état de la technique actuellement."

Plus d'informations : David Mayes et al, Cartographie des flux intrinsèques de photocourant à travers des dispositifs à hétérostructure micromagnétique, Actes de l'Académie nationale des sciences (2023). DOI : 10.1073/pnas.2221815120

Informations sur le journal : Actes de l'Académie nationale des sciences

Fourni par l'Université de Californie - Riverside