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Une photodiode à spin pour la transmission optique d’une information portée par des spins électroniques

 

 

 

 

 

 

 

Une photodiode à spin pour la transmission optique d’une information portée par des spins électroniques


Les travaux d'une collaboration internationale menée par le CEA-Iramis (LSI) ouvrent la voie au développement de « photodiodes à spin » efficaces qui permettraient le transport à longue distance, par voie optique, d'informations portées par des spins électroniques.

Publié le 6 avril 2022


La charge ou le spin des électrons permet d'encoder des informations pour les traiter et les stocker. Il est possible d'exploiter l'orientation des spins (up ou down), définissant un état magnétique local, comme dans les mémoires magnétiques MRAM ou encore, un courant électrique polarisé en spin, avec un sens majoritaire d'orientation des spins électroniques. Dans les deux cas, il serait intéressant de pouvoir transporter les informations portées par le spin sur de longues distances, par voie optique.
Dans cette perspective, pourrait-on convertir un courant électrique polarisé en spin (up ou down) en lumière polarisée circulairement (droite ou gauche) et vice versa ?
Il est en effet possible de produire une émission de lumière polarisée circulairement avec un taux de polarisation convenable (jusqu'à 67 %) en injectant des électrons polarisés en spin dans un semi-conducteur. À l'inverse, les capteurs sensibles à la polarisation circulaire de la lumière (« photodiodes à spin ») sont encore peu efficaces.

Pour progresser dans cette voie, des chercheurs du Laboratoire des solides irradiés (Iramis) et leurs partenaires ont développé une photodiode à spin et ont analysé les mécanismes qui y sont à l'œuvre.
Les photons incidents excitent les électrons dans une couche semi-conductrice du dispositif, ce qui tend à aligner les spins électroniques selon une direction déterminée par l'état de polarisation circulaire de la lumière. Les électrons sont ensuite transférés dans une couche magnétique où la polarisation en spin du courant peut être analysée.
L'effet recherché n'est cependant pas aisé à mettre en évidence. Il est nécessaire de moduler l'état de polarisation de la lumière à l'aide d'un modulateur photo-élastique pour des mesures de qualité. Il faut également prendre en compte des phénomènes parasites tels que le dichroïsme magnétique ou le courant inverse de trous et il faut enfin appliquer un champ magnétique externe pour stabiliser le spin des électrons et renforcer le signal.
Après avoir franchi ces obstacles, l'équipe est aussi parvenue à reconstituer les différents mécanismes d'excitation et relaxation des électrons afin de mieux les contrôler. Par une modélisation de l'ensemble de ces phénomènes physiques, ils ont pu obtenir et tester avec succès un modèle global, à même de reproduire le fonctionnement du dispositif pour différentes plages de tensions et de champs magnétiques appliqués.

Ces travaux menés en collaboration avec l'Unité mixte CNRS-Thales, l'Institut Jean Lamour, l'Institut Ioffe de Saint-Pétersbourg et l'Académie des sciences chinoise ouvrent la voie au développement de photodiodes à spin efficaces qui permettraient d'envisager le transport à longue distance d'informations portées par des spins.

25 février 2022
Photodiodes à spin : un détecteur de lumière polarisée circulairement

 

 

 

Se propageant sur de longues distances à la vitesse de la lumière, les photons peuvent être un bon vecteur de transmission d'une information portée localement par des spins électroniques, à condition de savoir convertir l'état de spin local vers un état de polarisation de la lumière et réciproquement.
Une collaboration internationale incluant le Laboratoire des solides irradiés publie dans Physical Review Letters [1] un article détaillant les mécanismes à l’œuvre pour détecter une lumière polarisée circulairement grâce à des dispositifs de spin-optoélectronique de type photodiodes à spin.
 
 
Les charges électriques (piégées par exemple dans la grille flottante d'un transistor CMOS de mémoire flash) ou le spin des électrons (pour le stockage magnétique MRAM ou sur un disque dur) permettent aujourd'hui le stockage et le traitement de l'information. En utilisant les propriétés de spin, l'information peut être encodée soit par l'orientation des spins (up ou down), définissant un état magnétique local, ou encore par un courant électrique polarisé en spin, avec un sens majoritaire d'orientation des spins des électrons. Se propageant sur de longues distances à la vitesse de la lumière, les photons peuvent être un bon vecteur de transmission d'une information portée localement par les spins électroniques, à condition de savoir convertir l'état de spin vers un état de polarisation de la lumière et inversement.
En injectant des électrons polarisés en spin dans un semi-conducteur, il est déjà possible d'obtenir une émission de lumière polarisée circulairement, et un taux de polarisation de 67% a récemment pu être obtenu [2]. "Inversement, les capteurs sensibles au spin de la lumière existent, mais ils sont encore peu efficaces" précise Henri-Jean Drouhin. Avec ses collègues de l’équipe CNRS-Thalès, de l’Institut Jean Lamour, mais aussi de l’Institut Ioffe de Saint Pétersbourg et de l’Académie des sciences chinoise, ils ont alors mené un travail expérimental et théorique afin de comprendre précisément les mécanismes à l’œuvre dans ce type de capteur.
 
"Dans ce travail, la spintronique est alliée avec l’optique. C’est la spin-optoélectronique" explique Henri-Jean Drouhin, co-auteur de l’étude parue dans Physical Review Letters et responsable du groupe "Physique et Chimie des nano-objets" au sein du Laboratoire des solides irradiés (LSI*). Les photons, possèdent en effet l'équivalent d'un spin, qui se manifeste notamment dans le fait que la lumière peut être polarisée de façon circulaire droite ou gauche, ce qui signifie que le champ électrique de la lumière s’enroule vers la droite ou vers la gauche comme une hélice dans la direction de propagation des photons. Lorsque cette lumière polarisée arrive sur le capteur conçu par les chercheurs, les photons incidents excitent les électrons du matériau. Le spin des électrons adopte alors une direction préférentielle fonction de la polarisation de la lumière, i.e. de l'orientation du spin des photons. L'analyse du spin des électrons permet donc d’obtenir des informations sur la polarisation de la lumière incidente, faisant de ces dispositifs des "photodiodes à spin", à l’image des photodiodes classiques qui mesurent l’intensité de la lumière.
 

Vu schématique de la photodiode à spin étudiée : on retrouve la couche de conversion semi-conducteur GaAs, où les photons polarisés circulairement excitent des électrons en les portant dans un état excité avec une orientation de spin donnée. La polarisation Vb =  V+-V- permet alors d'obtenir un courant polarisé en spin. Une couche mince de MgO, puis une couche ferromagnétique nanostructurée Co0.4Fe0.4B0.2 avec une aimantation perpendiculaire coiffent le diapositif et permettent l'analyse de la polarisation en spin du courant généré.
 
"Le dispositif est constitué de plusieurs couches empilées de semi-conducteur à base de GaAs, arséniure de gallium, où les photons reçus peuvent porter les électrons de la bande de valence dans la bande de conduction. Une polarisation électrique Vb contrôle l'extraction des électrons ainsi excités vers une couche magnétique qui permet d'identifier la polarisation en spin du courant ainsi généré. Cette couche mince est constituée d'un métal ferromagnétique (alliage de cobalt, fer et bore) dans lequel les électrons pénètrent plus ou moins facilement selon l'orientation de leur spin. Entre les deux matériaux, une couche d’isolant (de l’oxyde de magnésium) permet de réguler le passage des électrons par effet tunnel.
Avec le dispositif étudié, l'effet n'est cependant pas si aisé à mettre en évidence : un modulateur photoélastique permet de révéler par détection synchrone la corrélation entre le photocourant et la polarisation circulaire de la lumière incidente. Pour isoler la contribution du spin, il faut aussi tenir compte correctement du dichroïsme magnétique, du courant inverse de trous qui est non négligeable et mettre à profit un champ magnétique externe appliqué B qui renforce le signal en stabilisant le spin des électrons.
 
Les chercheurs ont ainsi réussi à reconstituer les différents mécanismes d'excitation et relaxation des électrons et trouvé comment les contrôler à l’aide de la polarisation Vb et du champ magnétique appliqué. "Dans notre modélisation, nous avons également parfaitement modélisé théoriquement les phénomènes physiques mis en jeu, et testé que ce modèle fonctionnait pour différentes plages de tensions et de champs magnétiques appliqués au dispositif" souligne Slava Safarov, co-auteur de l’étude au LSI.
Avec ces travaux de recherche fondamentale, l’équipe montre les pistes à suivre pour développer des détecteurs efficaces de lumière polarisée circulairement qui pourraient servir pour un nouveau mode de télécommunication optique, avec le transport à grande distance d'une information portée par le spin.
Contact CEA-Iramis : Henri-Jean Drouhin (LSI).
 
Référence :
[1] Recombination time mismatch and spin dependent photocurrent at a ferromagnetic-metal–semiconductor tunnel junction,
Viatcheslav I. Safarov, Igor V. Rozhansky, Ziqi Zhou, Bo Xu, Zhongming Wei, Zhan-Guo Wang, Yuan Lu, Henri Jaffrès, and Henri-Jean Drouhin, Phys. Rev. Lett. 128, 057701.
[2] Voir aussi : "Convertir le spin des électrons en lumière polarisée sans champ magnétique extérieur".
 

Collaboration :
* LSI, UMR École Polytechnique - CEA - CNRS, Institut Polytechnique de Paris, 91128 Palaiseau, France
* Ioffe Institute, St. Petersburg 194021, Russia
* Institut Jean Lamour, UMR7198, Université de Lorraine - CNRS, 54011 Nancy, France
* Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, and Beijing 100083, China
* Unité Mixte de Physique, CNRS, Thales, Université Paris Saclay, 91767 Palaiseau, France.

 

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La genèse du silicium quantique : de l’industrie à la recherche !

 

 

 

 

 

 

 




La genèse du silicium quantique : de l’industrie à la recherche !

Le « silicium quantique », aujourd'hui en développement au CEA, à Grenoble, dans le cadre de programmes européens (ERC, Flagship On Quantum Computing), est né d'un long compagnonnage entre des chercheurs du CEA-Leti et du CEA-Irig. En 1996, les équipements industriels du Leti en microélectronique s'ouvrent à la recherche fondamentale et plusieurs premières mondiales s'enchaînent jusqu'au premier bit quantique CMOS, en 2016. Marc Sanquer de l'Irig et Simon Deleonibus du Leti témoignent de cette aventure atypique et couronnée de succès.

Publié le 12 janvier 2021

Quel est le contexte en 1995 ?

Simon Deleonibus : La microélectronique visait à « faire » toujours plus petit et plus rapide, et moins gourmand d'énergie mais on sentait arriver les limites de la miniaturisation des transistors MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Au bout de cette logique, la communauté de la microélectronique se heurtait à des effets « limites ». Par exemple : l'effet tunnel direct à travers l'isolant de « grille » (oxyde de silicium, le O de MOSFET) qui sépare l'électrode de commande du transistor (grille) du « canal » (par lequel transitent les électrons). Les électrons traversent alors l'isolant devenu trop mince. Pour réduire ces fuites de courant indésirables, nous avons remplacé l'oxyde de silicium par de l'oxyde d'hafnium.
Mais plus fondamentalement, la petitesse du canal était, elle aussi, à l'origine de fuites qui pouvaient devenir incontrôlables. On voyait apparaître des effets au 2e ordre qui risquaient de passer au 1er ordre. Perdre un électron sur quelques dizaines à l'échelle de 20 nm n'a pas le même impact qu'en perdre un sur quelques milliers à l'échelle de 100 nm ! Ces effets remettaient en cause non seulement le fonctionnement des composants numériques et analogiques mais aussi celui des circuits mémoires, en particulier les mémoires non volatiles auxquelles le CEA-Leti consacrait un programme important.
Il fallait préparer la microélectronique du futur et mettre en place des collaborations tant avec la Direction de la recherche fondamentale du CEA (DRF) que d'autres laboratoires académiques nationaux et internationaux.
Avec Jacques Gautier du Leti, nous avons fait un tour du monde en 1995 : Universités de Stanford, Berkeley, Harvard, Columbia, SUNY, MIT, Toshiba, Hitachi, Fujitsu, Université de Tokyo, Riken, etc. De cet état des lieux, il est ressorti que tous les labos travaillaient sur deux thématiques majeures : les limites de la technologie CMOS et de sa miniaturisation d'une part et la recherche d'alternatives, tant du point de vue des composants que des nouveaux paradigmes du calcul informatique, d'autre part. De nombreux labos universitaires travaillaient sur les semi-conducteurs III-V (GaAs, GaAlAs, InGaN, etc.) car ils offraient la possibilité de mettre en évidence des effets quantiques limites sans aller vers une miniaturisation extrême. Se procurer une lithographie et du silicium à l'état de l'art n'était pas à la portée de toutes les bourses des labos académiques…
Votre collaboration démarre en 1996 avec PLATO… De quoi s'agit-il ?
SD : Avec les encouragements de Jean Therme, alors responsable de la microélectronique au Leti, nous avons créé le programme « PLATO Microélectronique du futur » en 1996. L'objectif est à la fois de repousser les limites de l'existant – le transistor à effet de champ MOSFET– et de susciter des ruptures technologiques. En référence au philosophe Platon, symbole de connaissance, on avait choisi de l'appeler PLATO, que nous avons ensuite décliné en « plateforme technologique ouverte ». PLATO, c'était donc à la fois un accès privilégié à des moyens de fabrication au meilleur niveau pour les chercheurs académiques et, pour nous, une porte ouverte sur la communauté scientifique française et internationale. En un an, nous avons monté près de cent projets, avec Marc Sanquer et de nombreux autres partenaires (Insa Lyon, Institut Néel, IEF, etc) et avons fourni des tranches de silicium comptant de très nombreux composants à tester !

Marc Sanquer : Le binômage avec Simon Deleonibus a commencé avec l'ouverture d'une salle blanche du Leti à la recherche fondamentale (PLATO). Notre idée était d'explorer le comportement de transistors à très basse température. Avec une curiosité de chercheur fondamentaliste, on s'est mis à mesurer les caractéristiques de transistors standard : à 4 K, 1 K, 50 mK. On s'est rendu compte que le transport de courant fonctionnait de manière très différente à ces températures et à température ambiante. Ainsi par exemple, quand la tension de grille de contrôle du transistor croît aux bornes du transistor, le courant oscille au lieu d'augmenter ! On s'attendait à des ruptures fondamentales. Nombre d'entre elles avaient été mises en évidence dans les semi-conducteurs III-V mais le silicium présentait un cas différent : un oxyde très performant, une capacité de fabrication via PLATO de dispositifs au moins dix fois moins longs, une « structure de bande » électronique complexe mais permettant de jouer sur différentes « vallées » et sur le « couplage spin-orbite », et, enfin nous y reviendrons, la quasi-absence de spins nucléaires après purification isotopique. Tous ces aspects ont joué un rôle par la suite.
SD : On a fait de la « leçon de choses » en quelque sorte, on a appris de l'existant, on a vérifié que nos idées étaient les bonnes. C'était un peu l'aventure… Je me souviens de la réflexion de Marc après avoir analysé nos premiers échantillons. « Je peux tester vos composants plusieurs fois, ils sont toujours vivants ! » Les autres composants étaient loin de bénéficier de la même maturité technologique.
Avec Marc Sanquer et son équipe, nous définissions et exploitions ensemble les manips – nous avons pu ouvrir nos cahiers de labo – et nous mettre d'accord sur leur interprétation. Nous étions copropriétaires des idées. On peut dire que cette cogestion de projets a été une réussite : elle a été transmise ! Nous en sommes aujourd'hui à la 6e ou 7e génération de chercheurs « héritiers ».
En 1999, 2000, 2003, arrivent les grandes premières. Comment sont-elles accueillies ?
SD :  En 1999 , nous avons réalisé le plus petit transistor du monde de l'époque ! Les circuits les plus avancés dans l'industrie étaient basés sur une technologie de transistors MOS de longueur 180 nm. Nous avons raccourci cette géométrie à 20 nm. Les ministères chargés de la recherche et de l'industrie et le CEA ont annoncé notre résultat publié dans la revue scientifique IEEE Electron Device Letters. Toute la presse quotidienne, les radios, les télévisions nationales et internationales se sont fait l'écho de l'évènement.
Nous avions exploré le comportement de canaux de dimensions nanométriques afin d'orienter la technologie qui serait utilisée dans nos téléphones portables, quinze ans plus tard. Cette anticipation était nécessaire, compte tenu de l'ampleur de la tâche qui nous attendait : le développement des architectures du type Fully Depleted Silicon On Insulator (FDSOI) et plus encore celui des transistors à grille « enrobante » (avec des canaux à nanorubans ou nanofils). Le CEA-Leti avait de nombreux atouts dans ce domaine grâce à sa maîtrise unique de la fabrication de substrats SOI.
Après ce record, on nous a regardés avec plus de bienveillance. Ça nous a permis de nous ouvrir davantage à la communauté scientifique internationale. Ça a fait boule de neige. Nous avons pu augmenter le recrutement de scientifiques de bon niveau. Parmi eux, certains venaient de la DRF ou des laboratoires académiques avec lesquels nous collaborions.

A 20-nm physical gate length NMOSFET featuring 1.2 nm gate oxide, shallow implanted source and drain and BF2 pockets, IEEE Electron Device Letters (2000)

MS : De nombreux scientifiques travaillaient sur un effet « mono-électronique » appelé blocage de Coulomb. De quoi s'agit-il ? Quand un électron se présente dans le canal d'un transistor, il ne peut passer que si le canal est énergétiquement « indifférent » à l'ajout d'un électron. Si ce n'est pas le cas, il y a « blocage de Coulomb », l'électron ne passe pas et le courant entre électrodes du transistor (drain – source) s'éteint, ce qui explique les oscillations déjà mentionnées. En 1998, nous avons mis en évidence, pour la première fois, cet effet surprenant dans un transistor MOSFET qui n'était pourtant pas optimal pour ces expériences.  

Coulomb oscillations in 100 nm and 50 nm CMOS devices, IEEE (1999)
SD : Nous avions besoin de comprendre plus en profondeur le blocage de Coulomb. Était-il seulement gênant ou pouvait-il être utile ?
Avant de pouvoir faire du blocage de Coulomb dans des transistors à nanofils reproductibles et fiables, nous avons utilisé des « boîtes quantiques » de quelques nm de diamètre pour ces manips. Pour les fabriquer, nous avions adapté nos technologies de dépôt de silicium polycristallin pour produire des nanocristaux individuels de silicium. Enrobé d'un isolant, cet objet pouvait piéger ou perdre des électrons en très faible quantité, voire un par un. Une charge unitaire piégée dans un nanocristal a permis de manipuler le blocage de Coulomb dans un canal de MOSFET. Mené en parallèle, le développement technologique des nanocristaux de silicium a eu des retombées pour l'intégration de mémoires non volatiles, commercialisées plus tard par STMicroelectronics et Freescale.
Single electron charging and discharging phenomena at room temperature in a silicon nanocrystal memory, Solid-State Electronics (2003)
Manipulation of periodic Coulomb blockade oscillations in ultra-scaled memories by single electron charging of silicon nanocrystal floating gates, IEEE Transactions on Nanotechnology(2005)
MS : En utilisant le blocage de Coulomb, nous avons appris à contrôler les électrons un par un dans le canal d'un transistor CMOS, en 2003. On était les premiers et les seuls à le montrer dans un transistor CMOS. Quelques industriels japonais seulement (NTT en particulier), avaient conservé une activité de recherche sur le silicium.
Controlled single-electron effects in non-overlapped ultra-short silicon field effect transistor, IEEE transactions on Nanotechnology (2003)
Et puis, vient le temps des projets européens. Quel regard portez-vous sur cette période ?
MS : Au début de la collaboration, nos échantillons n'étaient pas prioritaires. On était un peu des extraterrestres et on sentait à notre égard une curiosité amusée. Et puis la série de contrats européens – pour la plupart, coordonnés par nous – a permis d'asseoir progressivement nos activités à Grenoble. Les collègues du Leti ont vu qu'on avait du répondant. Et aujourd'hui, je suis très content que cette thématique soit devenue un « vrai » programme européen du Leti !
SD : Aujourd'hui, l'introduction de nouveaux composants ou de technologies de rupture va de pair avec des recherches collaboratives fortes, la motivation des chercheurs est primordiale. Dans le domaine de la high tech, il faut y ajouter des moyens technologiques lourds, comme ceux du CEA. Suite au succès de notre collaboration, le CEA nous a soutenus par des programmes internes (couplage Direction des sciences de la matière – Direction de la recherche technologique, etc.) complétant des financements de collaborations à l'extérieur du CEA. Par exemple, AFSID, le premier projet collaboratif européen que nous avons coordonné (voir ci-dessous) a ouvert des applications originales et variées, dérivées du blocage de Coulomb : mémoires non volatiles ou encore pompes à électrons pour la métrologie, génération de nombres aléatoires ou signatures indélébiles de transistors individuels.

MS : AFSID a été considéré comme un succès par la Commission européenne. Ce projet nous a aussi rapprochés de l'Université de Melbourne, spécialiste de l'implantation de dopant unique. Avec un dopant unique de phosphore dans le canal, on a pu étudier un transistor à atome unique puis à deux atomes uniques, dans lesquels les électrons passent par les orbitales atomiques d'un ou deux dopants de phosphore.

Single donor ionization energies in a nanoscale CMOS channel, Nature Nanotechnology (2010)
Detection of a large valley-orbit splitting in silicon with two-donor spectroscopy, Phys. Rev. Lett. (2012)
Une thématique nouvelle s'ouvrait car ces expériences, développées parallèlement par des australiens, constituaient des premières.
Il y a eu également TOLOP (voir ci-dessous), avec des applications très basse énergie, SIAM (idem) sur les pompes à électrons et SISPIN (idem), consacré au spin des électrons, qui annonce la montée en puissance des recherches européennes sur le quantique (ERC Synergy QuCube et Flagship On Quantum Energy) et pour lequel nous avons reçu le Trophée des Étoiles de l'Europe en 2017.
Le quantique entre en scène en 2016 avec l'annonce du premier bit quantique CMOS, puis l'ERC Synergy et le Flagship On Quantum Computing (voir ci-dessous). Comment la bascule s'opère-t-elle ?
MS : Alors que les basses températures limitaient jusque-là les applications à des niches, le quantique a cassé la contrainte sur la température. Un bit quantique ne peut fonctionner qu'à basse température. Ça a libéré les idées ! Le « comptage » d'électrons permettait-il de fabriquer un bit quantique ? En réalité, non, la charge électrique de l'électron conduit à un dispositif qui n'est pas assez stable. Notre choix s'est donc porté sur le spin de l'électron, une propriété purement quantique : l'électron est fixe et seul son spin est modifié quand le bit associé change de valeur.
SD : En parallèle, le transistor évolue vers une structure à nanofil, déjà évoquée. La miniaturisation rendant toujours plus difficile le contrôle des fuites, il faut « sécuriser » davantage le chemin des électrons et donc, entourer complètement le canal d'isolant. Le canal doit lui-même être recouvert par l'électrode qui contrôle le passage des électrons (grille). Ces impératifs conduisent à la forme cylindrique du canal, contenu dans un nanofil de silicium. La grille et l'isolant de grille, déposés sur le nanofil, enrobent le canal partiellement, voire totalement.

MS : En 2016, nous réalisons le premier bit quantique CMOS avec un transistor FD-SOI dont le canal est un nanofil de silicium de section 10×20 nm², recouvert de deux grilles de 30 nm de longueur en série. Sous chaque grille, un électron est d'abord piégé. Le spin du 1er électron peut être manipulé grâce au champ électrique créé par cette 1re grille – c'était une vraie prouesse – tandis que le spin du 2e électron est figé. Ici, c'est l'état de spin du 1er électron qui permet d'encoder l'information quantique. Pour lire cette information, on utilise le principe de Pauli qui interdit le transfert de charge lorsque les spins des deux électrons sont identiques.
En réalité, nous n'avons pas fait l'expérience avec des électrons mais avec des trous, c'est-à-dire des lacunes d'électrons, car le spin des trous est sensible au champ électrique – facile à manipuler dans un transistor à effet de champ – et celui des électrons au champ magnétique. L'inconvénient des trous est qu'ils sont plus lourds que les électrons et « voient » davantage les défauts du transistor. Une voie de recherche actuelle vise à étudier comment utiliser plutôt les électrons.
Un autre point concerne le matériau silicium. L'isotope majoritaire du silicium (28Si) ne porte pas de spin nucléaire, à la différence des atomes Ga et As dans les boîtes quantiques et de l'isotope minoritaire du silicium (29Si), présent à hauteur d'environ 5 % dans le silicium naturel. Pour que les trous « voient » autour d'eux un « vide » de spin, il faut utiliser du silicium 28 le plus pur possible, avec moins de 0,006 % de 29Si. Nous avons réalisé cette purification et espérons voir une augmentation drastique de la cohérence de nos trous.
Personne ne sait quel bit quantique sera utilisé dans les futurs processeurs quantiques. Aujourd'hui, le qubit CMOS n'est ni le premier ni le meilleur, mais il ouvre la microélectronique CMOS au monde quantique et à ses promesses de rupture.
A CMOS silicon spin qubit, Nature Communications (2016)

CEA Sciences
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Marc Sanquer (Chef du labo Transport éléctronique quantique et supraconductivité - Inac)

SD : Je partage ce point de vue. Aujourd'hui, la micro ou nanoélectronique sur silicium traite une quantité d'informations que nous n'aurions pas imaginée il y a 50 ans et nous sommes arrivés à la croisée des chemins prédite, dès le milieu des années 2000, par la « feuille de route » des semi-conducteurs (International Technology Roadmap of Semiconductors) à laquelle j'ai contribué. La réduction de la taille des composants (suivant 2 dimensions) pourrait désormais ralentir, voire s'arrêter, au-delà de 2030.
Dès 2004, des alternatives à l'augmentation du nombre de composants par puce (selon la loi dite de Moore) ont été identifiées. L'ordinateur quantique apparaissait intéressant pour le calcul massivement parallèle, les architectures « neuromorphiques » et programmables pour la résilience des systèmes, des interfaces, des capteurs intelligents, la gestion de la consommation, etc. Chaque option a été comparée à ses concurrentes, comme l'avaient été les technologies à base de semi-conducteurs dès 1997, avec une vision à 15 ans. Le calcul quantique devra être soumis à la même démarche critique.
Un registre de n bits quantiques contient à tout instant 2n informations au lieu de n, en informatique classique. Cette propriété désigne le traitement massivement parallèle de données (sur internet ou dans des bases de données à forte capacité) et les problèmes de factorisation comme les applications phares du calcul quantique.
La mise en œuvre de ces bits quantiques se heurte cependant à des défis de taille, tant au niveau de la technologie, qu'à celui de l'architecture des circuits et des ordinateurs. Il faudra en particulier augmenter la part de déterminisme dans les procédés de fabrication, tout en diminuant les éléments parasites pouvant perturber l'état d'une particule ou d'un atome unique. Et il sera primordial de réussir à exploiter la 3e dimension pour raccourcir les distances entre blocs de circuits et minimiser les perturbations de signaux et les temps de latence.
Les équipes du CEA et leurs partenaires académiques nationaux (CNRS, universités, etc.), internationaux et industriels sont bien armés pour relever ces défis et tracer le chemin vers de futures applications !

 

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courant électrique

 


 

 

 

 

courant électrique

Consulter aussi dans le dictionnaire : courant
Cet article fait partie du dossier consacré à l'électricité.


Courant électrique : tension et intensité
Déplacement de charges électriques dans un conducteur.

ÉLECTRICITÉ
INTENSITÉ D'UN COURANT ÉLECTRIQUE

Dans un conducteur, où existent des charges électriques, le produit de la densité volumique des charges par leur vecteur vitesse moyenne est le vecteur densité de courant. Le courant i traversant une surface donnée est défini comme le flux de la densité de courant à travers cette surface, ou comme le quotient de la charge d q qui traverse la surface pendant un temps d t :



Dans la formule, l'intensité du courant i se mesure en ampères (A) ; la charge d q se mesure en coulombs (C) ; le temps dt se mesure en secondes (s).

PROPRIÉTÉS D’UN COURANT ÉLECTRIQUE
Lorsqu'un conducteur est traversé par un courant électrique, on peut observer les trois phénomènes suivants :
1° effet calorifique : le conducteur est le siège d'un dégagement de chaleur (effet Joule) ;
2° effet électromagnétique : il y a création d'un champ magnétique dans l'espace environnant ;
3° effet électrochimique : si on coupe le conducteur et si on plonge les extrémités dans une solution saline, il se produit une décomposition chimique de la solution (un courant peut déplacer les ions d'un électrolyte).
LE SENS DU COURANT ÉLECTRIQUE

Pour définir le sens du courant électrique, André Marie Ampère a choisi arbitrairement celui du déplacement des charges positives : c'est ce qu'on appelle aujourd'hui le « sens conventionnel » du courant. Les électrons se déplacent donc dans le sens inverse du sens conventionnel. Dans un circuit, le courant (sens conventionnel) sort de la pile par la borne positive et se dirige vers sa borne négative.

LA RELATION ENTRE LE COURANT ET LA TENSION

La différence de potentiel (ddp) entre les deux bornes d'une pile (ou entre les deux soudures d'un couple thermoélectrique) est la cause de la circulation de l'électricité dans un conducteur. En général, lorsque la ddp augmente, l'intensité du courant augmente aussi. Pour les conducteurs métalliques, le physicien allemand Georg Simon Ohm montra en 1827 que l'intensité du courant et la ddp sont proportionnelles : avec une pile fournissant une ddp deux fois plus grande, le courant est deux fois plus intense. De même, dans un tuyau, le débit d'eau est deux fois plus élevé si la différence de hauteur entre les deux extrémités du tuyau double.

Pour une même pile, et donc une même ddp, le courant dépend aussi du conducteur qui relie les deux pôles de la pile. On appelle résistance la grandeur caractéristique d'un conducteur, telle que : U = RI, où R se mesure en ohms (Ω), U en volts (V) et I en ampères (A). Ainsi, lorsque l'intensité est faible, on dit que le conducteur est très résistant ; lorsqu'elle est forte, on dit qu'il est peu résistant. La résistance d'un conducteur dépend de sa nature (cuivre, argent…), de sa longueur et de sa section. Un fil court offre une résistance plus faible qu'un fil long, un fil fin présente un passage plus difficile aux charges, et donc une résistance plus importante, qu'un fil large. La résistance varie aussi avec la température.

La loi d'Ohm n'est pas valable pour tous les conducteurs. Ainsi, l'étincelle qui se produit entre deux points d'un circuit séparés par un espace d'air et forme un « arc » extrêmement lumineux entre deux charbons ne vérifie pas la loi d'Ohm.

 

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La fabrication de la lumière laser

 


 

 

 

 

 

La fabrication de la lumière laser

Les lasers produisent une lumière domptée bien différente de la lumière ordinaire produite par le Soleil ou les ampoules. Les propriétés du laser vont être à la base d'applications utilisant ce type de lumière.

Publié le 30 juin 2015

Au service de la science, de la médecine, du transport de l’information, de l’industrie et au cœur de notre vie quotidienne, le laser est partout présent.

INTRODUCTION
Dans les années 1960 naissaient les premiers LASERs, acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement). Très vite, leur lumière magique a trouvé de multiples applications. Les lasers se sont installés dans notre vie quotidienne : CD, DVD, dans nos imprimantes et les lecteurs de codes-barres des supermarchés. Ils font la beauté des spectacles qui portent leur nom. D’autres, dans l’industrie, coupent, soudent et percent. Les faisceaux rectilignes des lasers servent aussi à aligner des routes, des tunnels… En médecine, ils réparent ou brûlent les zones malades sans toucher aux parties saines. Mais pourquoi les lasers sont-ils capables de faire toutes ces choses alors que la lumière ordinaire, émise par le Soleil ou une ampoule, ne peut pas les réaliser ?

Le CEA travaille depuis longtemps sur toutes les formes de lasers. Les chercheurs les utilisent dans leurs travaux pour des applications classiques (alignement, perçage, spectroscopie…) et en développent de nouveaux pour des usages spécifiques et innovants. C’est le cas de nombreux lasers de puissance grâce auxquels ils étudient, par exemple, l’interaction d’une impulsion lumineuse très intense avec la matière. Outils indispensables pour de nombreuses applications, il ne faut pourtant pas ignorer les risques associés à leur manipulation, puisqu’ils véhiculent de l’énergie, ni oublier les précautions d’utilisation.

COMPARAISON DE LA LUMIÈRE ORDINAIRE ET DE LA LUMIÈRE LASER
Les lasers produisent une lumière bien différente de la lumière ordinaire produite par le Soleil ou les ampoules. Le tableau ci-dessous dresse leurs portraits robots et liste leurs dissemblances.

L’ÉMISSION STIMULÉE
Un atome, un ion ou une molécule excité peut libérer son énergie par « émission spontanée » d’un photon.
Il existe un autre mode prévu par Albert Einstein en 1917. Une particule (atome, ion ou molécule) excitée, qui reçoit un photon de la même énergie que celui qu’elle pourrait émettre de manière spontanée, émet un photon par l’effet dit « d’émission stimulée ». La particularité de ce type d’émission est que le photon stimulé prend strictement les mêmes caractéristiques (couleur, direction et phase) que le photon incident, comme si le second était la photocopie du premier.

L’INVERSION DE POPULATION
L’émission stimulée agit donc comme une duplication de la lumière. En répétant de nombreuses fois ce phénomène, il est possible de créer une lumière qui est composée de photons tous identiques, de même couleur, émis dans la même direction comme s’ils étaient la copie conforme les uns des autres : c’est la lumière laser.
Les caractéristiques particulières de la lumière laser sont exploitées dans de multiples domaines.

La seule découverte de l’émission stimulée n’a cependant pas été suffisante pour créer des lasers. En effet, dans la matière, les atomes, les ions ou les molécules sont beaucoup plus nombreux dans un état non excité que dans un état excité. Un photon incident a ainsi une probabilité plus grande d’être absorbé que  d’engendrer un photon par émission stimulée. Pour produire de la lumière laser, il faut trouver un moyen de renverser la tendance et d’obtenir un milieu contenant plus de particules excitées que de particules au repos. Ce processus est appelé inversion de population.
Le physicien français Alfred Kastler, en 1949, a apporté une solution à ce problème : le pompage optique, qui permet de transférer de l’énergie lumineuse à des atomes. Ces résultats lui valurent le prix Nobel de physique en 1966. Le premier milieu utilisé a été le rubis : éclairé par de la lumière blanche, il absorbe une partie des couleurs (du vert au bleu) et émet de la lumière rouge (694,3 nanomètres de longueur d’onde), de manière stimulée ou non. Le pompage optique n’est pas la seule façon d’obtenir l’inversion de population, celle-ci peut aussi être provoquée, puis entretenue et par décharge électrique et certaines réactions chimiques.


Constant et ordonné, le faisceau laser reste monochromatique, fin et directionnel.


L’OSCILLATEUR LASER
Pour fabriquer la lumière laser, il faut une source d’énergie et un oscillateur laser.
L’oscillateur est une sorte de cylindre allongé avec un miroir à chacune de ses extrémités. Il est empli du milieu laser, matériau solide, liquide ou gazeux contenant des particules capables d’émettre des photons. Par exemple, le rubis est un milieu laser solide dont les atomes excitables sont ceux du chrome.

Comment l’oscillateur laser produit la lumière ?
Imaginons un photon émis spontanément dans le milieu laser dont la trajectoire est perpendiculaire aux plans des miroirs. En rencontrant une particule excitée, il va stimuler l’émission d’un deuxième photon. Les deux photons identiques peuvent à leur tour stimuler d’autres émissions de photons et ainsi de suite, jusqu’à ce que le groupe de photons rencontre le miroir. Leur trajectoire étant perpendiculaire au plan de celui-ci, ils seront renvoyés strictement en sens inverse et continueront de nouveau à provoquer des émissions stimulées. Dans cette réaction en chaîne, le nombre de photons identiques qui vont et viennent entre les miroirs va donc augmenter à chaque passage : la lumière laser est amplifiée. Pour que l’amplification soit efficace, il faut que les ondes de photons restent en phase après un aller-retour, c’est ce qui donne sa cohérence à la lumière. Pour que le faisceau sorte de l’oscillateur laser, l’un des deux miroirs est partiellement transparent, comme peut l’être un miroir sans tain. La plupart des photons sont réfléchis mais certains le traversent, permettant ainsi au faisceau laser de sortir.
Pour qu’un oscillateur produise de la lumière laser en continu, il faut que la source d’énergie, de type lumineuse, électrique ou chimique, soit elle-même continue. Après une rapide phase de mise en route, la lumière garde une puissance constante. Il existe des cavités laser capables d’émettre la lumière laser de manière discontinue, par impulsions brèves et intenses. On dit alors que le laser est impulsionnel.


LES AMPLIFICATEURS LASER
La lumière laser produite par un oscillateur peut, pour certaines applications, être utilisée directement. Mais dans le cas où il est nécessaire d’avoir une puissance beaucoup plus grande, il faut amplifier la puissance véhiculée par la lumière laser émise par l’oscillateur par une série d’amplificateurs. L’amplificateur est constitué d’un milieu laser. Son principe de fonctionnement est le même que celui de l’oscillateur. Les particules du milieu laser de l’amplificateur sont excitées par le faisceau laser sortant de l’oscillateur et les photons qui vont traverser l’amplificateur vont produire par réaction en chaîne de nombreux autres photons identiques : la puissance de la lumière laser est amplifiée. Pour obtenir la puissance recherchée, plusieurs amplificateurs sont placés sur la trajectoire du faisceau laser. Au fur et à mesure de l’augmentation de la puissance, il faut augmenter le diamètre du faisceau et des amplificateurs, pour éviter que les composants optiques (milieux laser en verre, miroirs, lentilles…), soumis à l’énergie grandissante de la lumière laser, ne soient endommagés. La série constituée de l’oscillateur, des amplificateurs et des autres composants optiques constitue une chaîne laser.

 

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