Une équipe de chercheurs de l’Ohio State University a découvert un moyen de simplifier la manière dont les appareils électroniques utilisent les électrons — en exploitant un matériau pouvant jouer un « double rôle » dans les composants électroniques, où de nombreux matériaux étaient nécessaires jusqu’à présent. « L’électronique dirige notre monde, mais les électrons gouvernent notre électronique » écrivent les chercheurs.
« Nous avons littéralement découvert un matériau à ‘double personnalité’ », a déclaré Joseph Heremans, co-auteur de l’étude, professeur d’ingénierie mécanique et aérospatiale et chercheur en nanotechnologie à l’Ohio State University. « C’est un concept qui n’existait pas auparavant ».
Une refonte de la manière dont les ingénieurs créent tout type d’appareil électronique, voilà ce que leurs découvertes pourraient signifier selon eux. Cela inclut la totalité des composants, des cellules solaires aux diodes électroluminescentes de votre téléviseur, en passant par les transistors de votre ordinateur portable et les capteurs de lumière de l’appareil photo de votre smartphone. Les résultats de l’étude ont été publiés le 18 mars dans la revue Nature Materials.
Ces composants sont les éléments constitutifs de l’électronique d’aujourd’hui. Chaque électron a une charge négative et peut rayonner ou absorber de l’énergie en fonction de la manière dont il est manipulé. Les trous d’électrons (ou simplement trous) — essentiellement l’absence d’électron — ont une charge positive. Les appareils électroniques fonctionnent en faisant se déplacer des électrons et des trous. Ou plus simplement, en conduisant l’électricité.
Mais historiquement, chaque partie d’un dispositif électronique ne pouvait agir qu’en tant que détenteur d’électrons ou de détenteur de « trous », et non les deux en même temps. Cela signifiait que les composants électroniques avait besoin de plusieurs couches — et de plusieurs matériaux — pour fonctionner.
Mais les chercheurs de l’Ohio State ont découvert un nouveau matériau, le NaSn2As2 — un cristal pouvant à la fois être porteur d’électrons et porteur de trous , éliminant ainsi potentiellement le besoin de couches multiples.
« C’est ce dogme de la science, à savoir que vous pouvez avoir soit des électrons soit des trous, mais pas les deux. Mais nos conclusions contredisent cela », a déclaré Wolfgang Windl, professeur de science des matériaux et d’ingénierie à l’Ohio State, et co-auteur de l’étude.
« Et ce n’est pas qu’un électron devient un trou et vice-versa, car il s’agit du même assemblage de particules. Ici, si vous regardez le matériau dans un sens, cela ressemble à un électron, mais si vous regardez dans l’autre, cela ressemblera à un trou. C’est plutôt ainsi qu’il faut comprendre cette nouveauté » ajoute-t-il.
Cette découverte pourrait donc simplifier nos composants électroniques, en permettant peut-être de créer des systèmes plus efficaces, fonctionnant plus rapidement et se détériorant moins souvent.
Imaginez cela comme une machine de Rube Goldberg (une machine qui réalise une tâche simple d’une manière très complexe), ou comme le jeu de société des années 1960 appelé « Mouse Trap » : plus il y a de pièces en jeu et de pièces en mouvement, moins l’énergie circule dans le système — et plus il est probable que quelque chose échoue.
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« Nous avons maintenant cette nouvelle famille de cristaux en couches dans laquelle les porteurs se comportent comme des électrons lorsqu’ils voyagent dans chaque couche, et comme des trous lors de leur déplacement entre les couches. Vous pouvez imaginer qu’il existe des dispositifs électroniques uniques que vous pourriez créer », a déclaré Joshua Goldberger, professeur agrégé de chimie et de biochimie à l’Ohio State.
Les chercheurs ont nommé ce phénomène de double capacité « goniopolarité ». Ils croient que le matériau fonctionne de cette manière en raison de sa structure électronique unique, et disent qu’il est probable que d’autres matériaux stratifiés pourraient présenter cette propriété. « Nous ne les avons pas encore découverts », a déclaré Heremans. « Mais maintenant, nous savons comment les chercher ».
Les scientifiques ont fait cette découverte presque par accident. Bin He, un chercheur diplômé du laboratoire de Heremans, mesurait les propriétés du cristal lorsqu’il remarqua que le matériau se comportait parfois comme un « porte-électrons », et d’autres fois comme un « porte-trous », ce qui jusqu’à ce jour et à leur connaissance, était scientifiquement impossible. He pensait alors qu’il avait peut-être commis une erreur, mais il a mené l’expérience encore et encore, et a obtenu le même résultat à chaque fois.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]