Des chercheurs de la Northeastern University ont découvert comment changer l'état de matière électronique à la demande, une percée qui pourrait rendre l'électronique 1000 fois plus rapide et plus efficace.
En passant de l'isolation à la conduite et vice versa, la découverte crée le potentiel de remplacer les composants du silicium en électronique avec des matériaux quantiques exponentiellement plus petits et plus rapides.
« Les processeurs travaillent actuellement à Gigahertz », a déclaré Alberto de La Torre, professeur adjoint de physique et auteur principal de la recherche. « La vitesse du changement que cela permettra vous permettrait d'aller à Terahertz. »
Via le chauffage et le refroidissement contrôlés, une technique qu'ils appellent «extinction thermique», les chercheurs sont capables de faire un changement de matériau quantique entre un état conducteur métallique et un état isolant. Ces états peuvent être inversés instantanément en utilisant la même technique.
Publié dans la revue Physique de la natureles résultats de la recherche représentent une percée pour les scientifiques des matériaux et l'avenir de l'électronique: contrôle instantané sur le fait qu'un matériau conduit ou isole l'électricité.
L'effet est comme un transistor commandant des signaux électroniques. Et tout comme les transistors ont permis aux ordinateurs de devenir plus petits – des énormes machines de la taille des pièces au téléphone dans votre poche – le contrôle des matériaux quantiques a le potentiel de transformer l'électronique, explique Gregory Fiete, professeur de physique à Northeastern qui a travaillé avec De La Torre pour interpréter les résultats.
« Tous ceux qui ont déjà utilisé un ordinateur rencontre un point où ils souhaitent que quelque chose se charge plus rapidement », explique Fiete. « Il n'y a rien de plus rapide que la lumière, et nous utilisons la lumière pour contrôler les propriétés des matériaux à la vitesse la plus rapide possible par la physique. »
En faisant briller la lumière sur un matériau quantique appelé 1T-Tas₂ à près de la température ambiante, les chercheurs ont obtenu un « état métallique caché » qui n'avait jusqu'à présent été stable qu'à des températures cryogéniquement froides. Maintenant, les chercheurs ont créé cet état métallique conducteur à des températures plus pratiques, explique De La Torre. Le matériel maintient son état programmé depuis des mois – quelque chose qui n'a jamais été accompli auparavant.
« L'un des grands défis est, comment contrôlez-vous les propriétés des matériaux à volonté? » dit fiete. « Ce que nous tirons, c'est le plus haut niveau de contrôle sur les propriétés des matériaux. Nous voulons qu'il fasse quelque chose de très rapide, avec un résultat très certain, car c'est le genre de chose qui peut être exploitée dans un appareil. »
Jusqu'à présent, les appareils électroniques ont eu besoin de matériaux conducteurs et isolants, ainsi qu'une interface bien conçue entre les deux. Cette découverte permet d'utiliser un seul matériau qui peut être contrôlé avec de la lumière à mener, puis à l'isoler.
« Nous éliminons l'un des défis d'ingénierie en mettant tout cela dans un seul matériau », explique Fiete. « Et nous remplaçons l'interface par la lumière dans une plage de températures plus large. »
La recherche élargit les travaux antérieurs qui ont utilisé des impulsions laser ultra-rapides pour modifier temporairement la façon dont les matériaux conduisent l'électricité. Mais ces changements n'ont duré que de minuscules fractions de seconde et généralement à des températures extrêmement froides.
La commutation de conductivité stable à des températures plus élevées est une avancée significative pour la mécanique quantique, dit Fiete, et pour le long jeu de complétation ou de remplacement de la technologie à base de silicium. Les semi-conducteurs, dit-il, sont si denses avec des composants logiques que les ingénieurs les empilent maintenant en trois dimensions. Mais cette approche a des limites, a-t-il dit, qui rendent les minuscules matériaux quantiques plus importants pour la conception de l'électronique.
« Nous sommes à un point où pour obtenir des améliorations incroyables dans le stockage d'informations ou la vitesse d'opération, nous avons besoin d'un nouveau paradigme », explique Fiete. « L'informatique quantique est une voie pour gérer cela et une autre consiste à innover dans les matériaux. C'est vraiment de cela. »
