Découverte d'un nouveau courant dans des fils

L’équipe du professeur Ion Garate de l'Institut quantique découvre un nouveau phénomène physique dans des fils topologiques – une percée qui pourrait aider la modélisation des interconnexions plus efficaces dans les puces électroniques.

Les limites de la miniaturisation

On assiste depuis les années 1970 à une miniaturisation continue des puces électroniques, permettant aujourd’hui à des milliards de transistors de tenir sur la taille d’un ongle. Cette tendance atteint aujourd’hui ses limites, en partie à cause d'un élément plutôt méconnu du grand public : les fils métalliques extrêmement fins qui relient les transistors entre eux.

Ces interconnexions sont le système nerveux des puces électroniques – elles permettent aux milliards de transistors de communiquer entre eux. Or, plus ces fils deviennent fins, plus leur résistivité augmente, entraînant pertes d'énergie, ralentissements et surchauffe. Il s’agit désormais de l'un des principaux obstacles au maintien de la célèbre loi de Moore, qui prédit le doublement du nombre de transistors sur une puce tous les deux ans environ.

La raison sous-jacente de ce problème a été dévoilée par Fuchs et Sondheimer il y a presque un siècle. Ces auteurs ont montré que, dans les matériaux conventionnels comme le cuivre, les fils plus fins sont plus résistifs parce que les électrons porteurs de courant rencontrent plus fréquemment les surfaces rugueuses du fil.

Professeur Ion Garate

Les matériaux quantiques comme solution

Pour faire face à cette limitation physique, les scientifiques se tournent vers de nouveaux matériaux. Parmi les candidats les plus prometteurs figurent les matériaux topologiques, dont les propriétés électroniques particulières pourraient permettre de contourner les problèmes associés à la miniaturisation.

L'équipe du professeur Garate vient de franchir une étape importante dans cette quête. Dans leur étude publiée dans Physical Review Letters, ils montrent pour la première fois une adaptation des travaux historiques de Fuchs et Sondheimer à ces matériaux exotiques.

Une découverte inattendue : un nouveau courant non linéaire

Cette adaptation à la théorie classique révèle une surprise : elle prédit un nouveau type de courant électrique, totalement absent des modèles précédents. « Nous prédisons théoriquement un courant électrique d'origine topologique le long de l'axe du fil, qui est quadratique dans le champ électrique appliqué », précise le professeur Garate. Ainsi, plutôt que d’être directement proportionnel à la tension, ce courant croît avec le carré de celle-ci.

Pourquoi ce phénomène n’avait jamais été prédit auparavant? C’est que jusqu’à maintenant, les recherches sur le sujet avaient ignoré un détail essentiel. « Des études antérieures de courants non linéaires associés à la topologie électronique ont ignoré les bords du fil, passant ainsi à côté de l'effet que nous prédisons », souligne le chercheur. En effet, le phénomène émerge de l'action combinée de la courbure de Berry — une propriété topologique de la structure de bandes électronique — et des collisions des électrons avec les bords du fil.

Pour parvenir à ce résultat, l'équipe a donc dû résoudre des équations mathématiques complexes décrivant le comportement des électrons dans ces matériaux singuliers tout en tenant compte à la fois de leurs propriétés quantiques et de leurs interactions avec les bords du fil. « Les calculs impliqués étant parfois subtils, il est facile de se tromper », reconnaît le professeur Garate. « Nous avons donc appuyé nos résultats mathématiques avec des arguments de symétrie et des raisonnements plus intuitifs. »

Des retombées prometteuses

Les travaux publiés dans l’article ouvrent deux perspectives importantes. D'une part, ils révèlent un phénomène physique totalement nouveau, ce qui inspirera certainement de futures expériences. D'autre part, ils fournissent des outils théoriques pour développer de meilleures interconnexions dans les puces électroniques, potentiellement plus efficaces que le cuivre actuellement utilisé.

Une collaboration étudiante fructueuse

Cette publication constitue également une source de fierté pour le professeur Garate, entre autres en raison du rôle joué par ses étudiants.

Je suis fier du fait que tous les auteurs proviennent de l'Institut quantique et que deux auteurs étaient des stagiaires lors de la réalisation des travaux.

Professeur Ion Garate

Le projet a été mené par Robin Durand, doctorant dans l'équipe, avec la participation de Louis-Thomas Gendron et Théo Nathaniel Dionne, stagiaires à l'époque. « Tous les étudiants ont fait des calculs importants pour le projet et ont contribué aux discussions des résultats. »

Les défis à venir

En dépit de ces avancées prometteuses, des obstacles subsistent. « Malgré la promesse des interconnexions conçues à partir des matériaux topologiques, leur résistivité demeure supérieure à celle du cuivre », reconnaît le professeur Garate. « Nous réfléchissons actuellement à des stratégies pour inverser cette tendance et permettre aux matériaux topologiques de réduire véritablement les pertes d'énergie dans les circuits intégrés. »