Une étude récente dévoile le mouvement balistique des électrons dans le graphène en temps réel. Ces observations pourraient favoriser de nouvelles possibilités dans la gestion des électrons dans les semi-conducteurs, éléments fondamentaux de la plupart des technologies de l’information et de l’énergie.
Le mouvement des électrons dans les solides
« En général, le mouvement des électrons est interrompu par des collisions avec d’autres particules dans les solides », explique l’auteur principal, Ryan Scott, doctorant au département de physique et d’astronomie de l’Université du Kansas.
« C’est comme quelqu’un qui court dans une salle de bal pleine de danseurs. Ces collisions sont plutôt fréquentes – environ 10 à 100 milliards de fois par seconde. Elles ralentissent les électrons, provoquent une perte d’énergie et génèrent une chaleur indésirable. Sans collisions, un électron se déplacerait sans interruption dans un solide, à l’instar des voitures sur une autoroute ou des missiles balistiques dans l’air. Nous appelons cela le ‘transport balistique’ ».
Scott a réalisé les expériences en laboratoire sous la direction de Hui Zhao, professeur de physique et d’astronomie à l’Université du Kansas. Ils ont été rejoints dans leur travail par Pavel Valencia-Acuna chercheur postdoctoral au Northwest Pacific National Laboratory.
Le potentiel du transport balistique
Hui Zhao affirme que les dispositifs électroniques utilisant le transport balistique pourraient potentiellement être plus rapides, plus puissants et plus économes en énergie.
« Les dispositifs électroniques actuels, tels que les ordinateurs et les téléphones, utilisent des transistors à effet de champ à base de silicium », explique le chercheur. « Dans de tels dispositifs, les électrons ne peuvent que dériver à une vitesse de l’ordre de centimètres par seconde en raison des collisions fréquentes qu’ils rencontrent. Le transport balistique des électrons dans le graphène peut être utilisé dans des dispositifs à grande vitesse et à faible consommation d’énergie ».
Le graphène, un matériau prometteur
Les chercheurs ont observé le mouvement balistique dans le graphène, un matériau prometteur pour les dispositifs électroniques de nouvelle génération.
Découvert pour la première fois en 2004 et récompensé par le prix Nobel de physique en 2010, le graphène est constitué d’une seule couche d’atomes de carbone formant une structure en treillis hexagonal – un peu comme un filet de football.
« Les électrons dans le graphène se déplacent comme si leur ‘masse effective’ était nulle, ce qui les rend plus susceptibles d’éviter les collisions et de se déplacer de manière balistique », explique Scott. « Des expériences électriques précédentes, en étudiant les courants électriques produits par des tensions sous diverses conditions, ont révélé des signes de transport balistique. Cependant, ces techniques ne sont pas assez rapides pour suivre les électrons dans leur mouvement ».
En synthèse
Cette recherche réalisée au laboratoire de laser ultrarapide offre une nouvelle perspective sur le mouvement des électrons dans le graphène, un matériau prometteur pour les dispositifs électroniques de nouvelle génération. Les chercheurs ont réussi à observer le mouvement balistique des électrons, une découverte qui pourrait ouvrir la voie à des dispositifs électroniques plus rapides, plus puissants et plus économes en énergie.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que le mouvement balistique des électrons ?
Le mouvement balistique des électrons est un phénomène où les électrons se déplacent sans interruption dans un solide, à l’instar des voitures sur une autoroute ou des missiles balistiques dans l’air.
Qu’est-ce que le graphène ?
Le graphène est un matériau constitué d’une seule couche d’atomes de carbone formant une structure en treillis hexagonal. Il a été découvert pour la première fois en 2004 et a reçu le prix Nobel de physique en 2010.
Pourquoi le graphène est-il un matériau prometteur ?
Le graphène est un matériau prometteur en raison de ses propriétés uniques, notamment sa capacité à permettre le mouvement balistique des électrons, ce qui pourrait conduire à des dispositifs électroniques plus rapides, plus puissants et plus économes en énergie.
Quels sont les avantages potentiels du transport balistique des électrons ?
Les dispositifs électroniques utilisant le transport balistique pourraient potentiellement être plus rapides, plus puissants et plus économes en énergie.
Quels sont les défis associés à l’observation du mouvement balistique des électrons ?
Les techniques actuelles ne sont pas assez rapides pour suivre les électrons dans leur mouvement, ce qui rend difficile l’observation du mouvement balistique des électrons.
Références
Légende illustration principale : Les recherches menées au laboratoire de laser ultrarapide de l’université du Kansas pourraient déboucher sur des percées dans la gestion des électrons dans les semi-conducteurs, composants fondamentaux de la plupart des technologies de l’information et de l’énergie. Crédit : University of Kansas
Article : « Spatiotemporal Observation of Quasi-Ballistic Transport of Electrons in Graphene » – DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08816
Scott, R., Zhao, H., & Valencia-Acuna, P. (2023). Real-time observation of ballistic movement of electrons in graphene. ACS Nano.
