À l’ère numérique d’aujourd’hui, le silicium est roi. Mais comme pour d’autres semi-conducteurs largement utilisés dans l’industrie, des traces d’autres éléments sont souvent ajoutées au silicium pour influencer son comportement électronique, un processus connu sous le nom de dopage.
Aujourd’hui, les scientifiques ont porté le dopage à un nouveau niveau, en remplaçant un atome sur huit dans le germanium – un semi-conducteur similaire au silicium – par le gallium, un supraconducteur, de sorte que le matériau forme un nouveau supraconducteur pouvant être utilisé pour des technologies telles que l’informatique et la détection quantiques.
« Je pense qu’il y a beaucoup de bonnes raisons d’être enthousiasmé par cela », co-auteur de l’étude Javad Shabaniprofesseur de physique à l’Université de New York, a déclaré à Live Science.
L’idée de doper un semi-conducteur suffisamment pour le rendre supraconducteur a été inventée proposé en 1964 par Marvin Cohen, professeur émérite à l’Université de Californie à Berkeley, puis à l’Université de Chicago. L’idée a été ressuscitée dans les années 2000 et 2010, lorsque plusieurs groupes ont tenté de bombarder le silicium et le germanium avec des métaux supraconducteurs pour voir s’ils pouvaient atteindre la nouvelle phase théoriquement prédite – mais ils ont rencontré des problèmes.
« Lorsque vous bombardez, vous détruisez en quelque sorte le réseau », a expliqué Shabani, ajoutant qu’il faut ensuite le chauffer et le « recuire » pour mener d’autres expériences sur le comportement supraconducteur. Il n’est donc pas clair si les atomes dopants ont simplement formé un îlot de matériau supraconducteur, ou si une nouvelle phase supraconductrice s’est formée dans l’élément bombardé. Lui et son équipe ont même tenté les expériences eux-mêmes. « Nous avons simplement ajouté au puzzle », a-t-il déclaré à Live Science.
Couche d’espoir
Les progrès ont finalement eu lieu lorsqu’ils sont passés à une technique appelée épitaxie par jet moléculaire. Ici, ils ont produit le cristal de germanium couche par couche, en exposant la surface à des atomes de germanium avec juste les bonnes conditions et la concentration d’atomes de gallium pour que l’un des atomes de gallium remplace un atome de germanium dans chaque cellule unitaire du cristal.
Shabani a suggéré qu’ils n’étaient probablement pas les seuls à penser que l’épitaxie par jet moléculaire pourrait valoir la peine d’être essayée. Cependant, les tentatives ont été découragées par de nombreuses spéculations négatives suggérant que le dopage aux niveaux requis n’était pas physiquement possible sur la base d’hypothèses proches des limites de solubilité. Par exemple, vous pouvez continuer à dissoudre de plus en plus de sucre dans l’eau jusqu’à un certain point, mais une fois que vous atteignez la limite de solubilité, la solution sature et le sucre ne se dissoudra plus mais restera sous forme de grumeaux solides. Transférez les mêmes arguments au dopage et on pourrait penser qu’au-delà d’une certaine limite, le dopant ne se répartira pas non plus uniformément mais s’agglutinera.
Mais le dopage par épitaxie par jet moléculaire est un type de processus complètement différent – les deux matériaux sont déposés ensemble – et n’est donc limité par aucune limite de solubilité. « Nous pulvérisons simplement quelque chose sur quelque chose », a déclaré Shabani, ajoutant qu’aucune loi n’est violée.
Pour vérifier ce dont ils disposaient, Shabani et son équipe ont envoyé leurs échantillons à des collègues de l’Université du Queensland en Australie pour les caractériser avec leur équipement de pointe. Comme Julien Steeleun chercheur de l’Université du Queensland en Australie qui a contribué aux expériences de caractérisation, a souligné que généralement « la précision requise » pour caractériser l’intéressante couche supraconductrice enfouie dans le germanium massif serait expérimentalement « intraitable ».
« C’était une heureuse combinaison de couches de cristaux bien définies et de mesures très précises qui travaillaient en tandem pour produire des données avec une précision au niveau atomique », a déclaré Steele dans un e-mail à Live Science. « Le résultat est une image indéniablement claire d’un matériau quantique nouveau et fascinant. »
Les chercheurs ont également noté que la température de transition supraconductrice était de 3,5 Kelvin (juste au-dessus de zéro absolu) – cryogéniquement froid, mais pas aussi froid que le 1 Kelvin requis pour atteindre la supraconductivité dans le gallium pur. Comme Shabani l’a souligné, on s’attendrait normalement à ce que la température de transition soit encore inférieure à celle du supraconducteur « parent », en l’occurrence le gallium. Cela soulève des questions intrigantes quant à savoir lequel des mécanismes connus du comportement supraconducteur est en jeu ici.
« Il est très satisfaisant de voir la poursuite des recherches couronnées de succès dans le domaine de la supraconductivité dans les semi-conducteurs dopés, que j’ai initiée il y a plus de soixante ans », a déclaré Cohen dans un courrier électronique à Live Science. « Je pense qu’il reste encore beaucoup à apprendre sur la supraconductivité grâce à la recherche sur des systèmes de ce type. »
Construire des qubits plus robustes
Peter Jacobsonun chercheur de l’Université du Queensland qui a également contribué aux expériences de caractérisation, a été particulièrement impressionné par « la clarté avec laquelle la distorsion est apparue ».
Il a souligné que l’espacement des atomes dans le plan de chaque couche cristalline déposée restait essentiellement inchangé par rapport à la couche de germe de germanium pur, mais que l’espacement perpendiculaire à ce plan augmentait légèrement, tout comme on pouvait s’y attendre pour accueillir les atomes de gallium légèrement plus gros. « Voir ce comportement si clairement est une forte indication du peu de désordre présent dans ces films. »
Ce faible désordre est une bonne nouvelle pour quiconque cherche à « faire pousser » des couches alternées de matériaux semi-conducteurs et supraconducteurs, ce qui n’était pas possible auparavant.
Cela augmente considérablement la densité de dispositifs pouvant être obtenue sur une plaquette, car cela signifie que vous pouvez créer des piles 3D. Shabani utilise l’exemple d’une jonction Josephson – une jonction d’un matériau non supraconducteur pris en sandwich entre un matériau supraconducteur de chaque côté. Ceux-ci peuvent être utilisés en détection quantique et pour les qubits en informatique quantique.
« Vous pouvez en mettre 25 millions sur une seule plaquette », a-t-il déclaré. Il souligne qu’actuellement chaque jonction Josephson mesure environ un millimètre et ajoute : « Chacun d’entre eux pourrait être un qubit. Cela pourrait être le pixel d’un capteur, n’est-ce pas ? »
Le strict respect de l’ordre cristallin régulier peut présenter des avantages supplémentaires en termes de protection contre la « décohérence » des qubits supraconducteurs. Lorsque les qubits décohèrent, ils ne sont plus capables de contenir plusieurs valeurs à la fois mais se regroupent pour une valeur définie et réagissent essentiellement comme un qubit classique sans l’avantage du comportement quantique.
Il s’agit d’un problème dans les efforts en faveur de l’informatique quantique, mais il a été suggéré qu’une partie de cette décohérence pourrait être associée à des caractéristiques amorphes des matériaux utilisés. D’autres expériences seront nécessaires pour la vérification, mais la cristallinité améliorée de ces structures de germanium dopées au gallium par épitaxie par jet moléculaire pourrait aider les qubits à être plus robustes contre la décohérence.
Ce qui est tout à fait clair, c’est l’avantage potentiel d’utiliser les méthodes de fabrication déjà existantes pour fabriquer des processeurs et des dispositifs informatiques à semi-conducteurs en germanium et en silicium.
« Vous disposez d’une infrastructure de silicium-germanium d’une valeur de mille milliards de dollars qui peut désormais utiliser la supraconductivité comme nouvel élément de sa boîte à outils », a déclaré Shabani. « Cela pourrait vraiment aider l’informatique quantique à semi-conducteurs – le délai pourrait vraiment diminuer. »
