Observer les électrons et allumer les bits

Yasin Ekinci tient une plaquette de silicium dans la main. Le chef ad interim du Laboratoire de micro- et de nanotechnologie du PSI détaille très clairement les étapes nécessaires pour la transformer en puces informatiques. Depuis soixante ans, les fabricants recourent pour ce faire à un procédé appelé photolithographie. Cela revient à utiliser de la lumière pour écrire dans la pierre, traduit Yasin Ekinci. La pierre est une plaquette de silicium et, pour écrire dessus, on se sert du rayonnement ultraviolet. Si l'on veut fabriquer des puces avec toujours plus de circuits et de transistors, il faut écrire toujours plus petit. Ce qui n'est possible qu'en utilisant de la lumière avec une longueur d'onde encore plus courte. Depuis quinze ans, le standard est un rayonnement ultraviolet d'une longueur d'onde de 193 nanomètres – 1 nanomètre est un millionième de millimètre. Or, un changement dans la fabrication des puces est sur le point d'advenir avec le passage à une lumière dans l'extrême ultraviolet (EUV) de seulement 13,5 nanomètres. Cela nécessite une technologie complètement nouvelle, au développement de laquelle nous contribuons, poursuit Yasin Ekinci. Pour bien se faire comprendre, l'expert reprend au début: Pour fabriquer des puces, on enduit le silicium d'une résine photosensible, sur laquelle on projette les circuits et les transistors au moyen du rayonnement UV. Puis on développe cette couche photosensible comme une photographie à l'ancienne.

Yasin Ekinci: une nouvelle résine pour des structures plus petites

Pour produire des structures encore plus petites avec de la lumière dans l'EUV, il faut une nouvelle résine photosensible. Les entreprises qui les développent viennent nous trouver, au PSI, pour tester leur produit potentiel et donc écrire dans leur résine avec de la lumière EUV de la Source de Lumière Suisse SLS, raconte Yasin Ekinci, avant d'ajouter avec fierté: La structure la plus petite réalisée à ce jour par photo-lithographie a été faite au PSI. L'équipe de Yasin Ekinci détient donc un record du monde: un schéma régulier de lignes parallèles d'une largeur de 7 nanomètres seulement, produit avec la lumière EUV à la SLS. Cela correspond à un agencement des composants 16 fois plus dense que celui des puces informatiques actuelles. Les premières puces fabriquées au moyen de lumière EUV devraient être commercialisées en 2019 ou en 2020. La lithographie EUV devrait permettre de maintenir la loi dite de Moore, énoncée dans les années 1960, selon laquelle la densité de stockage et la puissance de calcul doublent chaque année ou tous les deux ans dans le secteur informatique. Mais les spécialistes sont persuadés qu'à long terme poursuivre sur la voie de la miniaturisation ne suffira pas.

Hans Sigg: le laser sur la puce

Des approches originales sont nécessaires, estime donc Rolf Allenspach, manager au laboratoire de recherche IBM de Rüschlikon (ZH). Par ailleurs, rappelle-t-il, dans le cas des puces pour téléphones et ordinateurs portables, la priorité numéro 1 n'est plus la performance mais l'efficacité énergétique. Ce changement de paradigme a transformé le développement des puces, assure ce chercheur d'IBM qui collabore régulièrement avec des chercheurs du PSI. Rolf Allenspach souligne encore: Le PSI est indispensable. La Suisse, en tant que lieu de recherche, profite beaucoup des grandes installations de recherche que le PSI abrite et de sa culture high-tech, qui attire des personnes remarquablement formées.

Hans Sigg, responsable au PSI du groupe de recherche de technologie quantique, exploite une idée destinée à accélérer la communication au sein d'une puce: Nous voulons intégrer de minuscules lasers sur la puce, explique-t-il. Cela permettrait à l'électronique de fonctionner de manière encore plus efficace, car la lumière est aussi capable de transmettre des données. Elle est rapide, et les faisceaux peuvent se croiser. Une structure plus compacte des éléments sur la puce devient alors possible. Aujourd'hui, les réseaux de fibre optique acheminent des signaux lumineux sur de longues distances et pratiquement sans perte. Mais l'intégration de la lumière dans la puce n'a pas encore réussi. Nous essayons, entre autres, avec du germanium sous contrainte de traction, détaille Hans Sigg. Le fait d'étirer le germanium permet en effet de lui faire émettre de la lumière. Mais, pour l'instant, cela fonctionne uniquement à basses températures. Nous ne savons pas encore si nous réussirons, reconnaît Hans Sigg. Mais c'est le propre de la recherche!

Thorsten Schmitt: des flux d'électrons

Thorsten Schmitt voit les choses de la même manière: C'est seulement en travaillant sur des questions fondamentales que nous pourrons faire de nouvelles découvertes, explique le responsable du groupe de recherche Spectroscopie des matériaux novateurs au PSI. Il se tient dans une zone d'expérimentation du bâtiment circulaire de la SLS, où le faisceau de rayons X aboutit à deux stations: l'une dans un instrument complexe de cinq mètres de long et l'autre dans un grand hémisphère. Grâce à ce dispositif, les chercheurs ont montré qu'il était possible d'améliorer un composant en nitrure de gallium déjà utilisé dans les smartphones. L'installation permet en effet de scruter l'intérieur des matériaux et de visualiser le flux d'électrons, autrement dit de mener des expériences sur un transistor vivant. Le domaine de spécialité de Thorsten Schmitt, ce sont les matériaux exotiques que l'on peut commuter entre deux états: celui d'isolant et celui de métal conducteur d'électricité. Ils sont composés d'atomes de métal bien particuliers et d'oxygène. Ces nitrures de métaux de transition sont de bons candidats à la fabrication de transistors vraiment fiables, relève encore le chercheur.

Ekaterina Pomjakushina: sans masse à travers de nouveaux matériaux

Pour leurs analyses, les chercheurs ont besoin d'échantillons de métaux de la meilleure qualité. Avec son équipe, Ekaterina Pomjakushina cultive des cristaux parfaits. La responsable du groupe de recherche Chimie des solides au PSI nous ouvre la porte de son laboratoire: Voilà notre monstre, dit-elle en riant et en désignant le four spécial d'un blanc immaculé. L'intérieur en est revêtu de miroirs parfaitement propres. Le four travaille par recours à l'optique, explique la chercheuse. Ses miroirs concentrent la lumière d'une lampe au xénon pour atteindre une température de 3000 °C. C'est ici que croissent des cristaux à partir de matériaux de différentes origines, préalablement assemblés dans des fours plus petits. La tâche requiert des connaissances en chimie, mais aussi beaucoup de doigté. C'est comme en cuisine, explique la scientifique. Pour préparer une soupe compliquée, il faut ajouter les ingrédients dans le bon ordre et les assaisonner des bonnes épices en fin de cuisson. C'est seulement au terme de ce processus qu'on obtient un merveilleux résultat.

Ce qui enthousiasme les chercheurs semble a priori insignifiant: un mince bâtonnet de quelques centimètres et d'un noir terne. Voilà à quoi ressemblent la plupart des cristaux que nous cultivons en raison de leurs intéressantes propriétés électroniques et magnétiques, enchaîne Ekaterina Pomjakushina. Parmi ces matériaux figure aussi celui qu'étudie Pascal Puphal, son collaborateur: il s'agit de ce qu'on appelle un semi-métal de Weyl. Dans ce matériau, les électrons se comportent comme s'ils n'avaient pas de masse, autrement dit comme de la lumière, précise le chercheur. Cette propriété serait idéale pour des transistors rapides. Mais, comme le sait le physicien, nous sommes encore très loin d'une application. D'autres analyses sont prévues à la source de neutrons SINQ du PSI afin de mieux comprendre les processus physiques en cause.

Jonathan White: les skyrmions, bits du futur

A l'état naturel, les neutrons sont présents dans les noyaux atomiques. A la SINQ, on les arrache à du plomb, puis on les freine et on les braque sur des échantillons. Les neutrons sont idéaux pour étudier le magnétisme, explique Christof Niedermayer, le responsable de groupe au Laboratoire de diffusion neutronique et d'imagerie. A l'avenir, on aura également besoin de disques durs magnétiques, notamment pour stocker d'importantes quantités de données. Dans ces supports, les informations sont enregistrées sous forme de série de domaines, dont la magnétisation pointe dans une direction ou dans la direction opposée, soit une série de 0 et de 1. Or, il se pourrait que de minuscules tourbillons magnétiques, appelés skyrmions, assurent un jour le rôle de ces bits de stockage. Jonathan White, chercheur au PSI qui travaille d'arrache-pied sur ces petites structures, raconte que l'industrie a récemment signalé son intérêt pour le sujet lors d'un congrès. Pour l'heure, Jonathan White cherche à mettre la main sur un matériau qui permettrait de réaliser, à température ambiante, des skyrmions bien plus petits que ceux réalisés jusque-là.

Marisa Medarde: stocker grâce aux propriétés couplées

Autre mot magique d'aujourd'hui: multiferroïque. Marisa Medarde, responsable au PSI du groupe de recherche Propriétés physiques des matériaux, étudie des composés particuliers dont les propriétés magnétiques et électriques sont couplées les unes aux autres. Les multiferroïques pourraient donc stocker facilement des données par le biais d'une tension électrique. Ce serait plus rapide et moins énergivore que les têtes de lecture-écriture magnétiques utilisées actuellement.

Frithjof Nolting: allumer des bits avec de la lumière laser

Ou bien on utilise de la lumière laser aux mêmes fins. Nous avons découvert qu'il était aussi possible de commuter les bits magnétiques avec une impulsion laser, relève Frithjof Nolting, chef du Laboratoire de matière condensée au PSI. L'avantage qui en découlerait serait, là aussi, un stockage plus rapide moyennant moins d'énergie. Pour l'instant, Frithjof Nolting et son groupe de recherche s'efforcent de confirmer ou d'infirmer certaines prédictions théoriques. Quand j'ai commencé à m'intéresser au magnétisme, je voulais juste faire de la recherche fondamentale et comprendre ce qui se passait à cette petite échelle magnétique, raconte ce spécialiste des nanosciences. Mais il se pourrait bien que notre recherche contribue à améliorer encore les disques durs.

Texte: Barbara Vonarburg