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Posté par Redbran le Mardi 23/01/2018 à 12:00
Réaliser un interrupteur avec un motif de boîtes quantiques à la surface du silicium
Concevoir à l'échelle atomique des dispositifs quantiques dont on contrôle les propriétés est un enjeu important des nanosciences. A partir d'une surface de silicium hydrogénée, des chercheurs du CNRS ont façonné un dispositif de boîtes quantiques et, à l'aide de simulations numériques, ont pu comprendre et analyser les couplages entre ces boîtes qui sont à l'origine des propriétés du dispositif.

Le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) de boîtes quantiques à l'échelle de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement...) est une quête constante pour définir des dispositifs quantiques aux propriétés innovantes. La surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) recouverte d'une couche mono-atomique d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) se prête particulièrement bien à cet exercice. En effet, un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) d'hydrogène manquant à la surface crée une liaison pendante qui présente les caractéristiques électroniques d'une boîte quantique. Grâce aux techniques à sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà....) locale telles que le microscope à effet tunnel (Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui reçurent le Prix Nobel de...), il est possible à très basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante,...) (9 kelvins) de contrôler le détachement d'un seul atome d'hydrogène à l'endroit désiré. On peut ainsi réaliser des motifs bidimensionnels de boîtes quantiques dont les niveaux électroniques seront couplés et, par la compréhension de ce couplage, concevoir des dispositifs répondant à des propriétés choisies.


Le panneau A représente la surface du Si(100):H sur laquelle ont été créées 4 liaisons pendantes (LP) ou boîtes quantiques, symbolisées par les atomes en rouge et notées LP1 à LP4. Elles sont imagées par le microscope à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique. Généralement, la fonction d'onde d'une particule, dont le...) suivant deux directions cristallographiques orthogonales du silicium (panneau B). Le dispositif en étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) à trois branches peut être dans deux états électroniques passant (ON) ou bloquant (OFF) (panneau C).

Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) des sciences moléculaires d'Orsay (CNRS/Univ. Paris-Sud/Univ. Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre...) Saclay), en collaboration avec des chercheurs de l'Institut de sciences des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de Mulhouse (CNRS/Univ. Haute-Alsace) et de FEMTO-ST (CNRS/UTBM/UFC/ ENSMM), ont combiné 4 boîtes quantiques en forme d'étoile dont les couplages s'ordonnent de telle sorte que le dispositif obtenu ait deux états: passant et bloquant. Ils ont pour cela analysé et exploité l'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes caractéristiques selon la...) du couplage des boîtes quantiques, anisotropie qui permet de moduler les interactions électroniques suivant la direction de leur arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les dénombrements en analyse combinatoire.) par rapport aux axes cristallographiques du silicium. Dans l'état initial, la répartition des charges est homogène sur l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout »,...) de l'étoile (état passant). En injectant une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu...) à partir du courant tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de...) du microscope, la charge se répartit aux extrémités de l'étoile et il y a ouverture d'une bande interdite au centre (état bloquant). On revient au premier état en inversant le signe de la tension (La tension est une force d'extension.) de la pointe du microscope et le dispositif, semblable à un interrupteur (Un interrupteur (dérivé de rupture) est un dispositif ou organe, physique ou virtuel, permettant d'interrompre ou d'autoriser le passage d'un flux. Il ne faut pas confondre l'interrupteur qui permet d'éteindre ou d'allumer un...), peut ainsi basculer réversiblement d'une fonction passante (ON) à une fonction bloquante (OFF).

Jusqu'à présent, les couplages entre boîtes quantiques à l'origine de ces fonctions n'étaient pas expliqués. Dans ce travail, des simulations numériques utilisant la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) de la fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme a été étendu, et il...) densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour...) sur plus de 1600 atomes ont montré que les couplages proviennent de la réorganisation ordonnée des charges induite par l'interaction avec les atomes de dopants présents dans le silicium. L'ensemble des résultats expérimentaux a été reproduit par ces simulations. La réalisation et la compréhension de ce dispositif ouvrent ainsi des perspectives dans les domaines des nanosciences liés à l'électronique moléculaire, à l'information quantique ou bien à la fonctionnalisation des surfaces de silicium et à la réalisation de capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une aiguille…. On...) à l'échelle atomique.


Référence publication:
A two-dimensional ON/OFF switching device based on anisotropic interactions of atomic quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible, que...) dots on Si(100):H
M. Yengui, E. Duverger, P. Sonnet et D. Riedel
Nature Communications (2017), doi:10.1038/s41467-017-02377-4

Contact chercheur:
Damien Riedel, chercheur CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)

Informations complémentaires:
- Institut des sciences moléculaires d'Orsay (ISMO, CNRS/UPSud/Univ. Paris Saclay)
- Institut FEMTO-ST (CNRS/UFC/ENSMM/UTBM)
- Institut de science des matériaux (La science des matériaux regroupe les domaines qui étudient la matière qui constitue les objets. Cela va des roches (en géologie) aux métaux en passant par les matériaux de construction (génie civil), les polymères (plastiques,...) de Mulhouse (IS2M, CNRS/Univ. Haute-Alsace)

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Source: CNRS-INP