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Posté par Michel le Jeudi 23/10/2008 à 00:00
Découverte « surprise » d’un nouvel état de la matière
Un type de cristal d’électron inconnu par le passé pourrait-il aider le futur de l’électronique ? Des chercheurs de l’Université McGill de Montréal ont découvert un nouvel état de la matière, un cristal d’électron quasi-tridimensionnel, dans un matériau très similaire à ceux utilisé dans la fabrication de transistors modernes.

Cette découverte pourrait aider le développement de nouveaux dispositifs électroniques. À l’heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y...) actuelle, le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de transistors qu’il est possible d’intégrer à faible coût dans une seule puce d’ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des données sous...) augmente de façon exponentielle (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus généralement en mathématiques et dans ses domaines d'applications. Il existe plusieurs...), doublant environ tous les deux ans, une tendance appelée Loi de Moore. Mais il y a des limites, affirment des experts. A mesure que le format des puces rapetisse, les scientifiques prévoient que les lois et comportements bizarres de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) quantique prendront le dessus, ce qui rendra impossible la fabrication de puces toujours plus petites.

Cette découverte, ainsi que d’autres recherches, pourrait aider l’industrie de l’électronique, une fois que les techniques de fabrication traditionnelle approcheront de ces limites quantiques, soit au cours de la prochaine décennie ou à peu près, ont déclaré des chercheurs. En travaillant avec un des matériaux semi-conducteurs les plus purs jamais fait, ils ont découvert le cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de...) d’électron quasi-tridimensionnel dans un dispositif refroidit à des températures ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique collectif léger permettant de se...) basses, 100 fois plus froide que celle de l’espace intergalactique. Le matériau a ensuite été exposé au champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique continu le plus puissant qu’on puisse générer sur terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est...). Leurs résultats ont été publiés dans le numéro d’octobre du journal Nature Physics.

Des cristaux d’électron en deux dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son...) ont été découverts en laboratoire dans les années 1990 et, déjà, en 1934, leur existence avait déjà été prédite par le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de...) hongrois reconnu Eugene Wigner.

« Imaginez un sandwich. Le jambon, au centre, représente les électrons, » a expliqué le Pr Guillaume (Guillaume est un prénom masculin d'origine germanique. Le nom vient de Wille, volonté et Helm, heaume, casque, protection.) Gervais, directeur du laboratoire expérimental sur la matière condensée à température ultra basse. « Dans un cristal d’électron bidimensionnel, les électrons sont comprimés entre deux matériaux et ils sont très bidimensionnels. Ils peuvent bouger sur un plan, comme des boules sur une table de billard, mais il n’y a pas de mouvement de haut en bas. Ils ont une épaisseur, mais ils sont collés. »

Toutefois, jusqu’à ce qu’une découverte accidentelle se produise pendant une des premières expériences à température ultra basse en 2005, personne n’avait prédit l’existence de cristaux d’électron quasi-tridimensionnels.

« Nous avons décidé de détruire la bidimensionnalité en appliquant un très fort champ magnétique, à l’aide du plus gros aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela...) au monde (Le mot monde peut désigner :), celui du Magnet Lab, en Floride », a-t-il déclaré. « Nous n’y avons accès qu’environ cinq jours par année et, le troisième jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du...), quelque chose de complètement inattendu s’est produit. »

La surprise dont parle le Pr Gervais fut la transformation brusque d’un système d’électrons bidimensionnels à l’intérieur du matériau semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible,...) en un système quasi-tridimensionnel, quelque chose que la théorie existante n’avait pas prédit.

« Il ne s’agit pas complètement d’un état tridimensionnel. C’est un état entre les deux, un phénomène complètement nouveau », a-t-il déclaré. « C’est le genre de chose que les théoriciens adorent. Maintenant, ils se creusent les méninges et essaient de peaufiner leurs modèles. »

L’importance de cette découverte pour la microélectronique et l’informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par...) pourrait être considérable. Depuis l’invention du circuit intégré en 1958, la Loi de Moore a propulsé la révolution dans des domaines qui ont transformé le monde comme les produits électroniques domestiques, les ordinateurs personnels et Internet (Internet est le réseau informatique mondial qui rend accessibles au public des services variés comme le courrier électronique, la messagerie instantanée et le World Wide Web, en utilisant le protocole de...). Mais, a expliqué le Pr Gervais, la Loi de Moore n’est pas une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) irrésistible et, quelque part au cours de la prochaine décennie, elle se heurtera inévitablement à l’immuabilité des lois de la physique.

« Dans un transistor standard, il y a une grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un...), et les électrons sont contrôlés par cette grille un peu comme si c’était un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) que l’on laissait passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) par un robinet », dit-il. « Vous pouvez considérer les électrons comme des unités indépendantes, ce qui nous permet de les traiter comme des uns et des zéros ou comme des interrupteurs «marche/arrêt » en calcul numérique.

« Toutefois, une fois qu’on examine le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à l’échelle nano, les forces quantiques s’appliquent et les électrons peuvent se condenser dans de nouveaux états collectifs et perdre leur caractère individuel. Ensuite, toutes sortes de phénomènes bizarres peuvent se produire. Dans certains cas, les électrons peuvent même se fragmenter. Les concepts « marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un mode de locomotion naturel. Il consiste en un déplacement en appui alternatif sur les jambes, en position debout et en ayant toujours...) » et « arrêt » perdent toute leur signification dans ces conditions. »

« Il s’agit d’un sujet de discussion universitaire, mais pas uniquement. Les mêmes matériaux semi-conducteurs avec lesquels nous travaillons sont présentement utilisés dans les téléphones cellulaires et d’autres dispositifs électroniques. Nous devons comprendre les effets quantiques pour pouvoir les utiliser à notre propre avantage et, peut-être même réinventer complètement le transistor. De cette façon, le progrès dans l’électronique pourra continuer d’avancer. »

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Source: Communiqué de presse de l’Université McGill
Illustration: PoorLeno