Passer à la version normale du sitePasser à la version large du siteTaille d'écran
  • Facebook
  • Twitter
  • RSS
  • Abonnez-vous!
    Connectez-vous

    Découverte - Les bizarreries du monde quantique

    Photo: Agence France-Presse (photo)
    À mesure que nous réduisons la taille des transistors dans le but de créer des ordinateurs toujours plus puissants et plus petits, les électrons sont de plus en plus dominés par les lois du monde quantique

    Sous des températures proches du zéro absolu et des champs magnétiques parmi les plus puissants générés sur terre, des physiciens de l'université McGill ont à leur grande surprise découvert dans un matériau semi-conducteur un nouvel état de la matière, où les électrons ont subi une cristallisation quasi tridimensionnelle. L'observation de ce phénomène complètement inédit dans le matériau de base de l'électronique aidera à notre compréhension de l'infiniment petit qui est régi par les lois de la physique quantique, lesquelles devraient révolutionner l'électronique au cours de la prochaine décennie.

    Cette découverte fait partie de cet effort mondial pour comprendre le comportement des électrons à petite échelle ainsi que dans cette zone grise de transition entre le monde macroscopique qui est gouverné par les lois de la physique classique et le monde quantique qui est dicté par les lois quantiques. Or, à mesure que nous réduisons la taille des transistors dans le but de créer des ordinateurs toujours plus puissants et plus petits, les électrons sont de plus en plus dominés par les lois du monde quantique.

    «Viendra un moment où le fonctionnement même du transistor sera complètement bizarre. Compte tenu du fait que nous atteindrons bientôt cette limite physique, il faudra probablement construire des transistors qui fonctionneront sur des principes complètement différents, des principes quantiques», affirme le professeur de physique Guillaume Gervais, spécialiste des très basses températures à l'université McGill.

    Physicien expérimentateur de la vieille école, comme il se définit, Guillaume Gervais a construit son laboratoire en 2005, avec l'aide de ses étudiants, et y a monté un appareillage particulier permettant d'atteindre des températures s'approchant du zéro absolu, la température la plus froide qui puisse exister dans l'univers. Grâce à un système de refroidissement utilisant un mélange de deux isotopes d'hélium liquide, il parvient à refroidir des matériaux à une température de six millidegrés Kelvin (-273,09 degrés Celsius), ce qui est mille fois plus froid que le rayonnement fossile dans l'espace.

    «En descendant près du zéro absolu, on enlève toute l'agitation thermique qui forme une sorte de brouillard, et alors se révèle un système quantique presque tout nu qui fascine par ses phénomènes bizarres. Les lois qui régissent le monde quantique à l'échelle nanométrique sont complètement différentes de celles de la physique classique qui régissent le monde à notre échelle. Qui plus est, la zone grise entre les deux est très mal connue, et les physiciens comme nous tentent d'en percer les mystères», explique le jeune physicien qui est directeur du Laboratoire expérimental sur la matière condensée à température ultrabasse.

    Pour sonder cette nouvelle physique et comprendre ce qui se passe au coeur de la matière composant les semi-conducteurs, le chercheur a eu besoin de champs magnétiques encore plus intenses que ceux générés dans son laboratoire. Le National High Magnetic Field Laboratory de Tallahassee, en Floride, lui a offert l'accès cinq jours par année à un champ magnétique de 45 Teslas.

    «En 2005, nous faisions appel à ce champ magnétique très puissant pour étudier et comprendre les différents états du système électronique, c'est-à-dire le comportement collectif des électrons, à l'intérieur de l'arséniure de gallium, un matériau semi-conducteur reconnu pour sa grande pureté et qui est utilisé dans la fabrication de transistors destinés à la téléphonie cellulaire, raconte le scientifique. On savait qu'en soumettant notre matériau, préalablement refroidi à une température proche du zéro absolu, à un champ magnétique extrêmement intense, les électrons arrêteraient de bouger et se cristalliseraient sous forme d'un réseau périodique en deux dimensions. Les électrons forment ce que l'on croit être un cristal d'électron bidimensionnel. Imaginez un sandwich. Le jambon au centre représente les électrons qui sont comprimés entre les atomes de l'arséniure de gallium d'un côté et ceux de l'arséniure de gallium-aluminium de l'autre. Les électrons ne peuvent se déplacer que dans un seul plan, comme les boules sur une table de billard que l'on pencherait.»

    La formation de ce cristal d'électron bidimensionnel avait été prédite en 1934 par le physicien théoricien hongrois Eugene Wigner [Prix Nobel de physique en 1963], et observée en laboratoire dans les années 1990. Mais en 2005, l'équipe de Guillaume Gervais a décidé d'appliquer sur son échantillon un second champ magnétique dans une autre direction. Le cristal d'électron bidimensionnel est soudainement passé dans un nouvel état «quasi-tridimensionnel».

    «Les électrons ont alors acquis une certaine liberté dans une troisième direction, ils s'élevaient un peu dans le plan vertical. Ils ont formé ce que nous appelons un cristal d'électron quasi tridimensionnel. Le matériau est devenu isolant, car les électrons sont passés d'un état fluide où ils étaient libres de bouger [permettant ainsi le passage d'un courant électrique] à un état cristallin, comme lorsque l'eau qui sort librement du robinet fige soudainement sous forme de glace et ne peut plus s'écouler», explique Guillaume Gervais.

    «Il s'est avéré que tout était différent de ce qu'on s'attendait de voir. Les électrons se sont retrouvés dans un nouvel état qui n'avait jamais été observé. Cela nous a pris trois ans pour comprendre ces données surprenantes que nous avons obtenues de façon tout à fait inattendue», relate avec enthousiasme le chercheur.

    Ce sont les expériences effectuées en janvier 2008 par le stagiaire postdoctoral Benjamin Piot qui ont en effet permis de trouver la clé de ce phénomène jusqu'alors inexpliqué. Sans connaître l'observation inédite qu'avait faite Guillaume Gervais en 2005, il est arrivé au même résultat, mais en passant par un chemin différent. Ses résultats ont ainsi permis de boucler la boucle, et de confirmer qu'il s'agissait d'une découverte fondamentale digne de la prestigieuse revue Nature Physics qui en publie la description ce mois-ci.












    Envoyer
    Fermer

    Articles les plus : Commentés|Aimés
    Articles les plus : Commentés|Aimés
    Abonnez-vous à notre infolettre. Recevez l'actualité du jour, vue par Le Devoir.