Aujourd’hui, la plupart d’entre nous ont un ordinateur assez puissant dans la main – un smartphone. Mais les ordinateurs n’ont pas toujours été aussi portables. Depuis les années 1980, ils sont devenus plus petits, plus légers et mieux équipés pour stocker et traiter de grandes quantités de données. Cependant, les puces de silicium qui alimentent les ordinateurs ne peuvent pas devenir plus petites.
« Au cours des 50 dernières années, le nombre de transistors que nous pouvons placer sur une puce a doublé tous les deux ans », détaille Kun Wang, professeur adjoint de physique au College of Arts and Sciences de l’université de Miami. « Mais nous atteignons rapidement les limites physiques de l’électronique à base de silicium, et il est de plus en plus difficile de miniaturiser les composants électroniques à l’aide des techniques que nous utilisons depuis un demi-siècle ».
C’est un problème que Kun Wang et de nombreux spécialistes de l’électronique moléculaire espèrent résoudre. Plus précisément, ils cherchent un moyen de conduire l’électricité sans utiliser le silicium ou le métal, qui servent aujourd’hui à créer les puces électroniques. L’utilisation de minuscules matériaux moléculaires pour les composants fonctionnels, tels que les transistors, les capteurs et les interconnexions dans les puces électroniques, présente plusieurs avantages, en particulier lorsque les technologies traditionnelles à base de silicium approchent de leurs limites physiques et de performance.
Mais les scientifiques n’ont pas réussi à trouver la composition chimique idéale pour cette molécule. Récemment, M. Wang, ses étudiants diplômés, Mehrdad Shiri et Shaocheng Shen, ainsi que ses collaborateurs Jason Azoulay, professeur associé au Georgia Institute of Technology, et Ignacio Franco, professeur à l’université de Rochester, ont découvert une solution prometteuse.
L’équipe a présenté ce qu’elle pense être la molécule organique la plus conductrice d’électricité au monde. Leur découverte, publiée dans le Journal of the American Chemical Society, ouvre de nouvelles perspectives pour la construction de dispositifs informatiques plus petits et plus puissants à l’échelle moléculaire. Mieux encore, la molécule est composée d’éléments chimiques présents dans la nature, principalement le carbone, le soufre et l’azote.
« Jusqu’à présent, il n’existe aucun matériau moléculaire qui permette aux électrons de le traverser sans perte significative de conductivité », a déclaré M. Wang. « Ce travail est la première démonstration que les molécules organiques peuvent permettre aux électrons de migrer à travers elles sans perte d’énergie sur plusieurs dizaines de nanomètres. »
Les essais et la validation de cette nouvelle molécule unique ont duré plus de deux ans.
Cependant, les travaux de cette équipe révèlent que leurs molécules sont stables dans les conditions ambiantes de tous les jours et offrent la conductance électrique la plus élevée possible à des longueurs inégalées. Ils pourraient donc ouvrir la voie à des dispositifs informatiques classiques plus petits, plus économes en énergie et plus rentables, a ajouté M. Wang.
Actuellement, la capacité d’une molécule à conduire les électrons diminue de manière exponentielle à mesure que la taille de la molécule augmente. Ces « fils » moléculaires nouvellement développés sont des autoroutes nécessaires au transfert, au traitement et au stockage de l’information dans l’informatique future, a déclaré M. Wang.
« Ce qui est unique dans notre système moléculaire, c’est que les électrons voyagent à travers la molécule comme une balle sans perte d’énergie, ce qui en fait théoriquement le moyen le plus efficace de transport des électrons dans tout système matériel », a noté M. Wang. « Non seulement il peut réduire la taille des futurs dispositifs électroniques, mais sa structure pourrait également permettre des fonctions qui n’étaient même pas possibles avec des matériaux à base de silicium. »
Wang signifie que les capacités de la molécule pourraient créer de nouvelles opportunités pour révolutionner la science de l’information quantique basée sur les molécules.
« La conductivité électrique très élevée observée dans nos molécules est le résultat d’une interaction intrigante entre les spins d’électrons aux deux extrémités de la molécule », a-t-il ajouté. « À l’avenir, on pourrait utiliser ce système moléculaire comme un qubit, qui est une unité fondamentale pour l’informatique quantique. »
L’équipe a pu constater ces capacités en étudiant leur nouvelle molécule au microscope à effet tunnel (STM). En utilisant une technique appelée STM break-junction, l’équipe a pu capturer une seule molécule et mesurer sa conductance.
Shiri, l’étudiante diplômée, a ajouté : « En termes d’application, cette molécule représente un grand pas en avant vers les applications du monde réel. Comme elle est chimiquement robuste et stable dans l’air, elle pourrait même être intégrée aux composants nanoélectroniques existants dans une puce et fonctionner comme un fil électronique ou des interconnexions entre les puces. »
En outre, les matériaux nécessaires à la composition de la molécule sont peu coûteux et peuvent être créés en laboratoire.
« Ce système moléculaire fonctionne d’une manière qui n’est pas possible avec les matériaux conventionnels actuels », a conclu M. Wang. « Il s’agit de nouvelles propriétés qui n’augmenteraient pas le coût, mais qui pourraient rendre (les dispositifs informatiques) plus puissants et plus efficaces sur le plan énergétique. »
De gauche à droite : Shen, Wang et Shiri avec leur molécule et un modèle chimique de celle-ci. Crédit : Photo : Joshua Prezant/Université de Miami
Article : « Long-Range Resonant Charge Transport through Open-Shell Donor–Acceptor MacromoleculesClick to copy article link » – DOI : 10.1021/jacs.4c18150
