Un nouveau transistor défie les limites de la physique quantique

Les chercheurs ont développé un nouveau transistor à molécule unique qui utilise l’interférence quantique pour contrôler le flux d’électrons. Cette avancée ouvre de nouvelles perspectives pour l’utilisation des effets quantiques dans les dispositifs électroniques, offrant ainsi des possibilités prometteuses pour l’avenir de l’électronique.

Une équipe internationale de chercheurs de la Queen Mary University of London, de l’Université d’Oxford, de l’Université de Lancaster et de l’Université de Waterloo a mis au point un nouveau transistor à molécule unique qui exploite l’interférence quantique pour contrôler le flux d’électrons. Ce transistor, décrit dans un article publié dans la revue Nature Nanotechnology, pourrait faire en sorte de pouvoir d’utiliser des effets quantiques dans les dispositifs électroniques.

Les transistors sont les éléments de base de l’électronique moderne. Ils sont utilisés pour amplifier et commuter les signaux électriques et sont essentiels pour tout, des smartphones aux vaisseaux spatiaux. La méthode traditionnelle de fabrication des transistors, qui consiste à graver le silicium en minuscules canaux, atteint ses limites. À mesure que les transistors deviennent plus petits, ils deviennent de plus en plus inefficaces et sensibles aux erreurs, car les électrons peuvent fuir à travers le dispositif même lorsqu’il est censé être éteint, par un processus connu sous le nom de tunnel quantique.

L’interférence quantique au cœur du fonctionnement du transistor

Dans les structures à l’échelle nanométrique étudiées par le professeur Jan Mol, le Dr James Thomas et leur groupe à l’École des sciences physiques et chimiques de Queen Mary, les effets quantiques dominent et les électrons se comportent comme des ondes plutôt que comme des particules. Tirant parti de ces effets quantiques, les chercheurs ont construit un nouveau transistor dont le canal conducteur est une porphyrine de zinc unique, une molécule capable de conduire l’électricité.

La porphyrine est prise en sandwich entre deux électrodes de graphène et, lorsqu’une tension est appliquée aux électrodes, le flux d’électrons à travers la molécule peut être contrôlé à l’aide de l’interférence quantique. L’interférence est un phénomène qui se produit lorsque deux ondes interagissent l’une avec l’autre et s’annulent mutuellement (interférence destructive) ou se renforcent mutuellement (interférence constructive).

Dans le cas du nouveau transistor, les chercheurs ont allumé et éteint le transistor en contrôlant si les électrons interfèrent de manière constructive (on) ou destructive (off) lorsqu’ils traversent la molécule de porphyrine de zinc.

Des performances prometteuses pour le nouveau transistor

Les chercheurs ont constaté que le nouveau transistor présente un rapport on/off très élevé, ce qui signifie qu’il peut être allumé et éteint de manière très précise. L’interférence quantique destructive joue un rôle crucial en éliminant le flux d’électrons de fuite dû à l’effet tunnel quantique à travers le transistor lorsqu’il est censé être éteint. Ils ont également constaté que le transistor est très stable. Les transistors précédents fabriqués à partir d’une seule molécule n’ont pu démontrer qu’une poignée de cycles de commutation, mais ce dispositif peut fonctionner pendant des centaines de milliers de cycles sans se dégrader.

Selon le Dr James Thomas, auteur principal de l’étude et maître de conférences en technologies quantiques à Queen Mary, l’interférence quantique est un phénomène puissant qui pourrait être utilisé dans une grande variété d’applications électroniques. Les chercheurs estiment que leurs travaux constituent une étape importante vers la réalisation de ce potentiel.

Vers une nouvelle génération de dispositifs électroniques

Les chercheurs ont également constaté que les effets d’interférence quantique pourraient être utilisés pour améliorer la pente sous le seuil du transistor, qui est une mesure de la sensibilité du transistor aux changements de tension de grille. Plus la pente sous le seuil est faible, plus le transistor est efficace. Les transistors des chercheurs présentaient une pente sous le seuil de 140 mV/dec, ce qui est meilleur que les pentes sous le seuil rapportées pour d’autres transistors à molécule unique et comparable à des dispositifs plus grands fabriqués à partir de matériaux tels que les nanotubes de carbone.

Bien que la recherche n’en soit qu’à ses débuts, les chercheurs sont optimistes quant à la possibilité d’utiliser le nouveau transistor pour créer une nouvelle génération de dispositifs électroniques. Ces dispositifs pourraient être utilisés dans une variété d’applications, allant des ordinateurs et des smartphones aux dispositifs médicaux./es

Article : « Quantum interference enhances the performance of single-molecule transistors » – DOI: 10.1038/s41565-024-01633-1