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10 découvertes 2015

[5] Encore plus petit

Génie électrique | Université McGill/Université de Montréal
30/11/2015
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Un matériau de quelques atomes d’épaisseur pourrait ouvrir la voie à des ordinateurs plus performants que jamais.



Toujours plus petits; toujours plus puissants. C’est ce que prédit, depuis 50 ans, la loi de Moore (du nom de l’ingénieur Gordon Moore, l’un des fondateurs d’Intel, le premier fabricant mondial de semi-con­ducteurs) au sujet des circuits intégrés qui composent les ordinateurs. Depuis la création des premières machines, qui occupaient une salle complète, jusqu’aux téléphones intelligents, cette loi s’est avérée juste.

Cependant, il devient de plus en plus difficile de miniaturiser les transistors à la base des circuits intégrés. Car on approche des limites du matériau privilégié jusqu’ici, le silicium.

Dans un circuit électrique, le silicium joue le rôle d’un interrupteur, laissant passer ou non le courant. C’est ce qu’on appelle un semi-conducteur. Mais, à de très petites échelles, le silicium n’est plus efficace: il laisse passer le courant en continu. «C’est comme le système d’égouts de Montréal; s’il y a beaucoup de fuites, on n’obtient plus un aussi bon rendement!» illustre Thomas Szkopek, chercheur au département de génie électrique de l’Université McGill.

La course aux matériaux plus efficaces que le silicium est donc lancée. Course à laquelle se sont joints l’ingénieur et ses collègues.

«Depuis que je suis jeune, je vois la vitesse des ordinateurs augmenter, explique-t-il. Mais beaucoup d’améliorations sont encore possibles si l’on va au cœur de certains matériaux de pointe.» C’est donc là qu’a plongé le chercheur qui, on l’a compris, travaille à l’échelle atomique.

Thomas Szkopek s’est d’abord tourné vers le graphène. Ce matériau, composé d’une seule couche d’atomes de carbone, s’obtient en séparant le graphite en fines lamelles. Cette découverte a d’ailleurs valu à ses auteurs, Andre Geim et Konstantin Novoselov, le Prix Nobel de physique 2010. Le graphène conduit ex­­­trê­­­me­ment bien l’électricité. Comme il n’est composé que d’une seule couche d’atomes, ses électrons subissent peu de collisions dans leurs déplacements. Inversement, il se révèle cependant peu efficace comme semi-conducteur; il ne répond donc pas au critère essentiel d’un transistor.

D’autres matériaux présentant une structure semblable à celle du graphène pouvaient-ils offrir des propriétés plus intéressantes? Le chercheur est allé voir du côté du phosphore. Comme le carbone, qui peut être tantôt diamant, tantôt graphite, le phosphore peut prendre plusieurs formes. C’est sous celle dite de «phosphore noir», un semi-conducteur naturel, qu’il a attiré l’attention de Thomas Szkopek.

D’un gris très sombre (étonnant pour un matériau dont le nom signifie en grec «porteur de lumière»), le phosphore noir n’a pas que sa couleur en commun avec le graphite. Il est lui aussi composé d’un empilement de couches de un atome d’épaisseur. Des couches très faciles à séparer.

Pour étudier l’efficacité de ces infimes couches de phosphore noir, l’équipe de recherche s’est rendue au Laboratoire national des champs magnétiques intenses de Tallahassee, en Floride. «Il s’agit du plus fort aimant du monde», souligne Thomas Szkopek. En soumettant le matériau à un champ magnétique très intense, il devient possible de mesurer avec précision le mouvement de ses électrons. «Nous avons démontré que, dans une couche de phosphore noir de quelques atomes d’épaisseur, un mouvement bidimensionnel des électrons est possible», note l’ingénieur.
Cela ouvre la voie à des transistors infiniment plus petits que ce qui existe en ce moment. Le phosphore noir dans les puces d’ordinateur, ce n’est toutefois pas pour demain, concède Thomas Szkopek; il reste encore bien des étapes à franchir avant qu’on puisse en envisager la fabrication.

Mais une chose est certaine: dans la course vers l’ordinateur le plus petit et le plus performant jamais conçu, Tho­mas Szkopek et son équipe ont désor­mais une longueur d’avance.


L’équipe de chercheurs: Thomas Szkopek, Richard Martel, Guillaume Gervais, Vahid Tayari, Nicholas Hemsworth, Ibrahim Fakih, Alexandre Favron, Étienne Gaufrès
 

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