Nouveaux matériaux pour l'ordinateur du futur

Milan Radovic est chercheur au sein de la ligne de faisceau Spectroscopie des Interfaces et Surfaces (SIS) de la Source de Lumière Synchrotron Suisse (SLS). Il a étudié la Physique Appliquée à l'Université de Belgrade, en Serbie, où il a également commencé sa carrière de chercheur au Département de Physique Atomique. En 2009, il a obtenu son doctorat à l'Université de Naples, en Italie. En 2003, il a été invité à occuper un poste double à l'EPFL Lausanne et au PSI, où il est chercheur depuis 2013. (Photo : Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

Milan Radovic et Eduardo Bonini Guedes (droite) du groupe de spectroscopie des matériaux quantiques à la ligne de faisceau SIS de la source de lumière synchrotron Suisse SLS. (Photo : Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic) / Milan Radovic et Eduardo Bonini Guedes du groupe de spectroscopie des matériaux quantiques à la ligne de faisceau SIS de la source de lumière synchrotron Suisse SLS. (Photo : Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

Nouveaux matériaux pourraient révolutionner la technologie informatique. Des chercheurs du Paul Scherrer Institut PSI ont franchi une étape importante dans cette voie grâce à des études menées à l’aide de la source de lumière synchrotron Suisse SLS.

Les microprocesseurs sont composés de silicium et fonctionnent selon le principe physique du semi-conducteur. Rien n’a changé depuis l’invention du transistor en 1947 dans les laboratoires américains Bell. À plusieurs reprises, des chercheurs ont prédit la fin de l’ère du silicium — et ils se sont trompés. La technologie du silicium est toujours vivante, elle évolue rapidement. Récemment, le groupe informatique IBM a présenté le premier microprocesseur dont les structures de transistors ne font plus que deux nanomètres de large, soit autant que 20 atomes alignés côte à côte. Qu’est-ce qui viendra après ? Des structures encore plus petites ? Probablement oui — du moins pour cette décennie.

Parallèlement, dans les laboratoires de recherche, des idées prennent forme pour une nouvelle technologie qui pourrait bouleverser tout ce que nous savons jusqu’à présent sur la microélectronique. Un exemple éclatant en est fourni par l’équipe de Milan Radovic. Aujourd’hui, Milan Radovic du Paul Scherrer Institut a présenté dans Communication Physics un résultat de recherche sensationnel sur les oxydes transparents (TO), qui pourrait ouvrir la porte à cette nouvelle technologie.

Microprocesseurs innovants

Radovic et ses collaborateurs Muntaser Naamneh et Eduardo Guedes, ainsi que le groupe de Bharat Jalan de l’Université du Minnesota, aux États-Unis, ne travaillent pas avec du silicium, mais avec des oxydes de métaux de transition (TMO). Ils mettent en évidence des phénomènes extraordinaires et multifonctionnels tels que la supraconductivité à haute température, l’effet colossal de magnetoresistance, la transition métal-isolant, et bien d’autres. Ce qui peut d’abord sembler confus pour le profane promet d’énormes avancées pour la technologie des puces de demain.

Dans leur travail sur la publication actuelle, les chercheurs se concentrent sur l’oxyde de baryum-étain (BaSnO3), qui combine transparence optique et haute conductivité électrique.

Depuis quelque temps, des chercheurs tentent d’extraire des propriétés semi-conductrices d’oxydes de métaux de transition ainsi que d’oxydes transparents spécifiques comme le BaSnO3 et le SrSnO3. Par rapport au silicium, cela offrirait des avantages révolutionnaires pour les éléments optoélectroniques : avec ces perovskites transparents et conducteurs, il serait possible de créer des composants où les propriétés électroniques sont directement couplées aux propriétés optiques. Cela ouvrirait la voie à des transistors pouvant être contrôlés par la lumière.

La connaissance des couches limites est essentielle

Tous les microprocesseurs sont constitués de combinaisons de matériaux différents. Il est crucial de comprendre ce qui se passe dans les fines couches limites entre ces matériaux. Sur leur surface, certains matériaux présentent des propriétés physiques totalement différentes de celles de leur intérieur. En réalité, des phases exotiques de la matière peuvent apparaître aux frontières des matériaux — une découverte qui a valu à trois physiciens britanniques le prix Nobel de physique en 2016. La contribution publiée décrit des progrès importants dans la compréhension des propriétés électroniques de la surface du BaSnO3.

Pour cela, la spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire a été utilisée sur une ligne de faisceau de la source de lumière synchrotron Suisse SLS, « afin de révéler l’état électronique bidimensionnel du BaSnO3, qui ouvre de nouvelles perspectives pour cette classe de matériaux », souligne Eduardo Guedes.

Conditions optimales pour la spectroscopie à la SLS

Que ce résultat ait été obtenu au PSI n’est pas un hasard. Le PSI dispose d’un laboratoire spécialisé dans la fabrication, la modification et l’étude complète de ces films minces. De plus, la SLS offre des conditions idéales pour analyser des matériaux avec une haute résolution spatiale et temporelle. Ces méthodes spectroscopiques sont une spécialité du centre de recherche suisse. Il n’existe que trois endroits dans le monde où toutes ces conditions sont réunies simultanément. Il faut également le savoir-faire approprié et une infrastructure de recherche performante. « Au PSI, nous combinons la compréhension avec des capacités expérimentales », explique Radovic. Les chercheurs souhaitent maintenant découvrir quels autres matériaux présentent des propriétés similaires et pourraient être des candidats potentiels pour les microprocesseurs optiques du futur.

La technologie du silicium ne fait donc pas partie du passé, insiste Milan Radovic. Elle est très avancée et performante. « Mais la technologie basée sur des oxydes de métaux de transition est plus performante et plus polyvalente — son heure viendra. »