Une équipe internationale de chercheurs de Forschungszentrum Jülich (Allemagne), de l'Université Tohoku (Japon) et de l'école Polytechnique de Montréal (Canada) a fait une découverte significative en science des semi-conducteurs en révélant les propriétés matérielles remarquables liées au spin des semi-conducteurs de germanium-Tin (GESN).
Les semi-conducteurs contrôlent le flux d'électricité qui alimente la technologie quotidienne tout autour de nous (comme les voitures et les ordinateurs). Cependant, la technologie progresse à une vitesse si effrangée qu'elle mènent des technologies de semi-conducteur actuelles.
« Les semi-conducteurs approchent de leurs limites d'efficacité physique et énergétique en termes de vitesse, de performance et de consommation d'énergie », explique Makoto Kohda de l'Université Tohoku. « Il s'agit d'un énorme problème car nous avons besoin de semi-conducteurs qui peuvent suivre alors que nous passons à des besoins plus exigeants tels que les réseaux 5G / 6G et l'utilisation accrue de l'intelligence artificielle. »
Pour surmonter ces défis, les scientifiques se tournent vers de nouvelles classes de semi-conducteurs, nommées alliages du groupe IV, qui peuvent fournir des capacités au-delà de ce que le silicium et le germanium seul peuvent offrir. L'objectif est non seulement de maintenir la compatibilité avec la plate-forme technologique basée sur le silicium existante, qui sous-tend l'industrie mondiale de l'électronique et de la photonique, mais également d'introduire des fonctionnalités entièrement nouvelles – du traitement plus rapide et une empreinte énergétique inférieure à l'intégration avec les technologies photoniques et quantiques.
Une frontière particulièrement prometteuse est Spintronics, une approche qui va au-delà de l'électronique traditionnelle en utilisant la propriété quantique du moment angulaire intrinsèque de l'électron, communément appelé spin, plutôt que de s'appuyer uniquement sur sa charge électrique. La nouvelle œuvre, publiée dans Matériel de communication Le 2 octobre 2025, éconore les propriétés des matériaux de l'alliage GESN intégré au silicium, soulignant leur masse efficace de trou lourde dans le plan bas, un grand facteur G et son anisotropie.
Un trou dans un semi-conducteur est l'absence d'un électron, qui agit comme une petite charge positive. Dans l'informatique quantique, les trous sont utiles car ils peuvent stocker et traiter les informations quantiques – allant des opérations rapides et de longs temps de cohérence dans les plates-formes semi-conductrices existantes.
En particulier, l'équipe a confirmé une énergie de fractionnement à rotation élevée, indiquant que les semi-conducteurs GESN peuvent avoir des avantages considérables par rapport aux matériaux conventionnels tels que SI et GE. De plus, il s'agit d'un itinéraire très prometteur pour les qubits et les dispositifs spintroniques à basse puissance.
Surtout, les alliages GESN sont compatibles avec les semi-conducteurs complémentaires en oxyde de métal (CMOS), positionnant cette réalisation comme étape critique vers les progrès révolutionnaires du traitement de l'information quantique et des dispositifs électroniques de nouvelle génération.
Au-delà du quantum et de la spintronique, GESN offre également des avantages majeurs dans les applications intégrées de lasage, thermoélectrique et électronique. Sa structure de bande unique permet une émission de lumière efficace, ce qui en fait un candidat solide pour les lasers et la photonique sur puce. Dans le même temps, ses propriétés thermiques et électroniques favorables ouvrent des possibilités pour une meilleure conversion d'énergie thermoélectrique et des transistors plus efficaces. Cette polyvalence fait du GESN non seulement un matériau pour la recherche quantique, mais une plate-forme de semi-conducteurs multifonctionnels qui pourrait transformer plusieurs industries.
« Les efforts futurs se concentreront sur le raffinement des conceptions des appareils, la réduction des composants et l'exploration de nouvelles applications », explique Kohda, « cette collaboration internationale soutient en outre les alliages GESN en tant que semi-conducteur qui change la donne qui pourrait former l'épine dorsale des technologies futures. »
