La spin-optronique, champ émergent de la physique des matériaux, serait-elle la clef du transistor de demain ? Selon des chercheurs CNRS du LASMEA, à l'Université de Clermont-Ferrand, elle pourrait fournir le candidat idéal. En simulant le fonctionnement d'un transistor fondé sur la spin-optronique, Robert Johne et ses collaborateurs ont montré qu'un tel transistor est viable, constructible et répond à la principale contrainte inhérente à un développement industriel : l'intégration à grande échelle.
Les transistors sont les constituants de base de toute puce électronique, qu'il s'agisse de celle de votre téléphone portable ou de celles qui composent le microprocesseur de votre ordinateur. Fabriqué à partir de semi-conducteurs, matériaux qui conduisent le courant électrique sous certaines conditions et qui sont isolants sous d'autres, un transistor transforme un signal électrique en une donnée binaire : soit il laisse passer le courant (état 1), soit il l'arrête (état 0). Une puce électronique contient ainsi des milliers de transistors qui jouent chacun le rôle d'un interrupteur.
Depuis l'invention des puces électroniques, dans les années 1970, les transistors sont toujours plus miniaturisés. Toutefois, la miniaturisation a ses limites. Divers autres types de transistors ont été imaginés, mais aucun ne rivalise avec le bon vieux transistor.
Parmi ces tentatives, celle inspirée de la spintronique - champ de la physique où l'on manipule non pas la charge électrique des électrons, mais leur spin, c'est-à-dire leur aimantation intrinsèque - a un temps suscité l'enthousiasme : il s'agissait de remplacer l'effet « interrupteur » du transistor classique par la transmission de l'état de spin des électrons. La mesure du spin de l'électron dans une direction donnée ne donnant que deux valeurs, on aurait retrouvé l'aspect binaire des transistors classiques.
Proposée dans les années 1990, la spintronique n'a cependant jamais dépassé le stade expérimental, car les états de spins sont difficiles à stabiliser dans un même état et à mesurer. Les chercheurs du LASMEA proposent de pallier ces problèmes en utilisant non plus des spins d'électrons, mais des spins de polaritons à excitons.
Les polaritons à excitons sont des quasi-particules issues du couplage d'un photon, particule de lumière, et d'une paire de deux charges opposées (un électron et un « trou »). À l'aide de calculs et d'une simulation fondés tant sur la théorie que sur l'étude expérimentale des polaritons, Robert Johne et ses collègues ont montré d'une part que le spin du polariton à exciton a des propriétés similaires au spin de l'électron et, d'autre part, qu'il est possible de construire un transistor à polaritons inspiré de celui issu de la spintronique.
Dans le transistor à spin électronique, l'état du spin des électrons est modulé par le champ magnétique créé par le mouvement des électrons. Dans le transistor à spin polaritonique modélisé par les chercheurs clermontois, les polaritons sont confinés spatialement sous la forme d'un condensat de Bose-Einstein : à une température suffisamment basse, ils se condensent dans un nouvel état de la matière où ils sont tous dans leur état quantique de plus basse énergie. Ce condensat crée un champ magnétique qui agit sur l'état de spin des polaritons et que l'on peut moduler : selon le champ, les spins seront dans un état ou dans l'autre, à l'instar du transistor classique soumis au courant d'entrée.
Les transistors à polaritons présenteraient de surcroît un avantage de taille : la nature hybride des polaritons à excitons. L'information est rapidement transmise par la lumière via des fibres optiques, tout en étant modulable à tout moment en agissant sur les excitons - conditions qui ne sont pas réunies dans des systèmes tout-optique ou tout-électronique.
Depuis quelques années, on sait construire de tels condensats de polaritons près de la température ambiante, dans lesquels les polaritons sont stables suffisamment longtemps pour servir de commutateurs dans un transistor. En outre, il a été observé que dans un condensat, l'état de spin d'un polariton est fortement lié à celui de ses voisins, ce qui devrait assurer une meilleure stabilité. Il ne reste donc plus qu'à tester expérimentalement le dispositif...
