Une nouvelle particule qui pourrait servir de base à de l’électronique économe en énergie

L’an dernier, certains chercheurs de l’Institut Paul Scherrer figuraient parmi les scientifiques qui ont réussi à mettre en évidence de manière expérimentale une particule dont l’existence avait été prédite dans les années 1920: le fermion de Weyl. L’une des particularités de cette particule est qu’elle ne peut exister qu’au cœur des matériaux. Dans la foulée, des chercheurs du PSI ont fait à présent une autre découverte, en collaboration avec des collègues de deux centres de recherche en Chine et des deux EPF (EPFL et ETH Zurich), et cette découverte ouvre la possibilité d’utiliser le mouvement de certains fermions de Weyl dans de futurs appareils électroniques. Ces appareils seraient nettement plus petits et économes en énergie que leurs pendants actuels.

Les puces électroniques d’aujourd’hui utilisent le flux des électrons qui se déplacent à travers les câbles du composant. Or pendant leur déplacement, les électrons entrent sans cessent en collision les uns avec les autres ou avec d’autres particules dans le matériau. Si bien que l’énergie nécessaire pour maintenir leur flux est relativement importante. Résultat: non seulement l’appareil consomme beaucoup d’énergie, mais en plus il chauffe, d’où la nécessité d’un système de refroidissement complexe, lequel est synonyme de consommation supplémentaire en termes de place et d’énergie.

Les fermions de Weyl, en revanche, se déplacent pour ainsi dire sans entrave à travers le matériau, ils ne rencontrent donc pratiquement aucune résistance. C’est un peu comme une voiture sur une autoroute où toutes les voitures se déplacent sans heurt dans la même direction, explique Ming Shi, scientifique responsable au PSI. Alors que dans les puces actuelles, le flux d’électrons s’apparente au déplacement dans une ville aux rues étroites, où les voitures viennent de directions différentes et se gênent mutuellement.

Point important pour l’électronique: un seul type de particule

Alors que les fermions de Weyl mis en évidence dans les matériaux étudiés l’an dernier étaient toujours de plusieurs types et se déplaçaient de différentes manières, les chercheurs du PSI et leurs collègues ont maintenant présenté un matériau dans lequel n’apparaît qu’un type de fermion de Weyl. C’est un point important pour des applications dans le domaine de l’électronique, où il faut pouvoir diriger précisément le flux d’électrons, explique Nan Xu, qui travaille comme postdoc au PSI. Les fermions de Weyl doivent leur nom au mathématicien allemand Hermann Weyl qui avait prédit leur existence en 1929 déjà. Ces particules présentent quelques propriétés frappantes, comme le fait qu’elles n’ont pas de masse et se déplacent à la vitesse de la lumière. Les fermions de Weyl ont été observés sous forme de quasi-particules dans des semi-métaux dits de Weyl. Contrairement aux «vraies» particules, les quasi-particules ne peuvent exister qu’à l’intérieur des matériaux. Les fermions de Weyl sont générés lors du mouvement collectif des électrons dans des matériaux adéquats. De manière générale, les quasi-particules sont comparables aux vagues à la surface de l’eau: sans l’eau, les vagues n’existeraient pas. En même temps, leur mouvement est indépendant de celui de la masse d’eau.

Le matériau que les chercheurs ont étudié maintenant est un composé d’éléments chimiques (tantale et phosphore), dont la formule chimique est TaP. Les expériences décisives ont été conduites avec de la lumière de type rayons X à la Source de Lumière Suisse SLS de l’Institut Paul Scherrer.

L’analyse de matériaux novateurs, dont les propriétés pourraient être utiles pour les appareils électroniques de demain, est un des principaux domaines de recherche de l’Institut Paul Scherrer. Dans ce cadre, les chercheurs suivent des approches très diverses et utilisent de nombreuses méthodes d’analyse différentes.

Texte: Institut Paul Scherrer/Paul Piwnicki

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(Mise à jour: février 2016)