Les appareils électroniques tels que les ordinateurs et les téléphones portables nécessitent des semi-conducteurs pour fonctionner. Ces matériaux présentent certaines limites qui restent irrésolues jusqu’à présent. En effet, à cause de minuscules vibrations émises par leur structure atomique, des phonons sont générés. Ces particules quantiques font, à leur tour, disperser des électrons ou des excitons (paires d’électron-trou) en quelques femtosecondes. Ces électrons transportent de l’énergie qui s’échappe sous forme de chaleur. Cette perte énergétique réduit la vitesse du transfert d’informations dans les systèmes électroniques. Dans cette nouvelle étude, des chercheurs déclarent avoir trouvé la solution à ce problème. Ils ont découvert un semi-conducteur "superatomique" très prometteur, baptisé Re6Se8Cl2, qui serait le plus rapide et le plus efficace de tous les temps.
Dirigé par Jack Tulyag, doctorant et professeur de chimie à l’Université Columbia, ce groupe de recherche est parvenu à créer ce semi-conducteur à base de rhénium, de sélénium et de chlore. Dans ce matériau, les atomes se regroupent et agissent ensemble comme un seul gros atome (super-atome). Cette caractéristique unique offre à ce nouveau semi-conducteur une performance et une rapidité sans précédent. Avec le Re6Se8Cl2, les excitons se lient aux phonons au lieu de se disperser. Cela provoque la formation de quasiparticules, appelées « excitons-polarons acoustiques », qui peuvent toujours transporter de l’énergie, mais beaucoup plus lentement que les excitons ordinaires. La perte d’énergie est donc minimisée.
Ces chimistes utilisent la métaphore du lièvre et la tortue (Fables de La Fontaine) pour expliquer les différences entre le silicium et le Re6Se8Cl2. Dans le silicium, les électrons se déplacent très rapidement, mais tout en rebondissant dans tous les sens, limitant ainsi leur efficacité. À l’inverse, dans le matériau superatomique, les excitons-polarons effectuent des mouvements plus lents, mais plus sûrs et plus constants dans le temps. Ils sont moins perturbés par d’autres phonons en chemin. Ce qui leur permet d’aller plus loin sur un même laps de temps. Au final, la vitesse de ces quasiparticules serait deux fois plus élevée que celle des électrons du silicium. Outre cela, les polarons peuvent être contrôlés par la lumière plutôt que par un courant électrique.
D’après ces scientifiques, les dispositifs théoriques fabriqués à partir du semi-conducteur Re6Se8Cl2 pourraient afficher des vitesses de traitement six fois plus rapides que celles des dispositifs électroniques actuels. Cependant, ce matériau ne pourra pas être appliqué de sitôt aux processeurs, aux puces ni à d’autres systèmes électroniques. En cause, le rhénium, un des composants de ce nouveau semi-conducteur, est l’un des métaux de transition les plus rares sur la Terre. Son coût est ainsi trop cher, rendant ce produit non viable commercialement. Malgré cela, ces chercheurs ont déjà démontré que ce concept fonctionne.
Afin de contourner ce problème de coût, ils prévoient de remplacer le rhénium par un matériau similaire plus abordable, qui pourrait assurer un transport balistique soutenu d’excitons-polarons. Selon Milan Delor, co-auteur de cette étude, l’équipe peut commencer à chercher les autres matériaux qui pourraient avoir le même comportement que le rhénium. La bonne nouvelle est qu’il existe un large éventail de matériaux superatomiques et d’autres matériaux semi-conducteurs 2D présentant des propriétés favorables à la formation d’excitons-polarons acoustiques.
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
