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Le prix Nobel de physique Félix Bloch. Ses travaux ont conduit à la théorie des bandes d'énergie dans un solide. © Weizmann Institute of Science
Une équipe internationale de physiciensphysiciens a montré qu'il est possible de contraindre un isolant à se comporter comme un conducteur en le soumettant à des impulsions laser ultrabrèves. La découverte pourrait ouvrir la voie à des transistors jusqu'à 10.000 fois plus rapides que les champions actuels.
Les clés de la conduction des courants dans les solides n'ont été trouvées qu'avec la découverte des lois de la mécanique quantique dans les années 1920. L'une des figures les plus importantes qui ont élucidé le comportement des électrons et autres charges dans un solide a été le prix Nobel de physique Félix Bloch, mais on pourrait citer aussi Hans Bethe, Rudolph Peierls et quelques autres. Néanmoins, c'est à Alan Herries Wilson que l'on doit, en 1931, la théorie des bandesthéorie des bandes d'énergieénergie dans un solide, expliquant pourquoi certains corps sont des conducteurs et d'autres des isolants ou des semi-conducteurs.
La théorie de Wilson peut se résumer physiquement à l'existence dans un corps solide de niveaux d'énergie si serrés qu'ils se comportent comme des bandes d'énergie continues pouvant être occupées par des électrons, différant des niveaux d'énergie principaux, bien distincts, qui existent dans des atomesatomes. On distingue alors une bande de valencebande de valence dans laquelle les électrons ne peuvent participer à des mouvementsmouvements de conduction, et une bande de conductionbande de conduction qui autorise ces mouvements.
Une conduction différente selon les bandes d'énergie quantiques
Lorsque ces deux bandes sont largement séparées, les électrons restent dans la bande de valence et on a un isolant. Lorsque ces deux bandes se recouvrent partiellement, on a un conducteur. Lorsqu'elles sont séparées par un faible intervalle d'énergie (on parle de gapgap en anglais), on a affaire à un semi-conducteursemi-conducteur, car il est possible de faire passer, sous certaines conditions, des électrons de la bande de valence à la bande de conduction.
Sur ce schéma, on a représenté les bandes de conduction et de valence dans un solide (en abscisse, l’énergie des électrons qui peuvent occuper ces bandes). On voit la différence entre, de gauche à droite, un conducteur (metal), un semi-conducteur (semiconductor) et un isolant (insulator). © Wikipédia, Pieter Kuiper
Des chercheurs de l'Institut Max PlanckMax Planck d'optique quantique en Allemagne et de la Georgia State University aux États-Unis viennent de publier deux articles dans Nature dans lesquels ils expliquent comment ils ont transformé du dioxyde de siliciumsilicium isolant en un conducteur, simplement en appliquant des impulsions laser ultrabrèves durant 4 femtosecondesfemtosecondes environ (une femtoseconde correspond à 10-15 seconde).
Des circuits électriques qui commutent en une femtoseconde
On savait que des champs électriqueschamps électriques intenses comme ceux pouvant exister dans un faisceau laser pouvaient changer l'état des bandes d'énergie dans un solide comme le graphite. Mais d'ordinaire, de tels champs les détruisent... sauf s'ils sont appliqués pendant un temps très court. C'est donc une autre découverte issue de la physique quantiquephysique quantique (les lasers ultrabrefs) qui a permis de transformer sans encombre un isolant en un conducteur.
Une première expérience a montré qu'il est possible de changer un isolant en conducteur avec ces impulsions en une femtoseconde. Une deuxième expérience a prouvé que le dioxyde de silicium redevenait un isolant en un temps équivalent. Ces deux expériences démontrent ainsi qu'il est possible de réaliser un circuit commutant à l'échelle de la femtoseconde.
En théorie, il doit être possible de combiner deux circuits de ce genre pour former une porteporte logique. Toujours en théorie donc, il devrait être possible de fabriquer de cette manière des transistors travaillant à des fréquencesfréquences jusqu'à 10.000 fois plus élevées que 100 GHz. Si l'on disposait de lasers ultrabrefs à faible coût, cette découverte ouvrirait donc la voie à de nouveaux développements en électronique quantique avec des ordinateurs plus rapides.
