Une clé constituée d’une seule molécule

Une molécule de carbone unique s’est avérée avoir la capacité d’agir simultanément comme plusieurs commutateurs à grande vitesse.

Une équipe internationale de chercheurs, dont ceux de l’Institut de physique du solide de l’Université de Tokyo, a fait une découverte révolutionnaire. Ils ont démontré avec succès l’utilisation d’une seule molécule appelée fullerène comme interrupteur, semblable à un transistor. L’équipe y est parvenue en utilisant une impulsion laser calibrée avec précision, ce qui leur a permis de contrôler la trajectoire de l’électron entrant de manière prévisible.

La commutation activée par les fullerènes peut être beaucoup plus rapide que les commutateurs utilisés dans les micropuces, avec des vitesses passant de trois à six ordres de grandeur, selon les impulsions laser utilisées. L’utilisation de transformateurs de fullerène dans le réseau peut conduire à la création d’un ordinateur avec des capacités au-delà de ce qui est actuellement réalisable avec des transistors électroniques. De plus, ils ont le potentiel de révolutionner les dispositifs de microscopie d’imagerie en offrant des niveaux de résolution sans précédent.

Il y a plus de 70 ans, les physiciens ont découvert que les molécules émettent des électrons en présence de champs électriques et, plus tard, de certaines longueurs d’onde de la lumière. Les émissions d’électrons ont créé des modèles qui étaient intrigants mais qui échappaient à toute explication. Mais cela a changé grâce à de nouvelles analyses théoriques, dont les ramifications pourraient non seulement conduire à de nouvelles applications de haute technologie, mais aussi améliorer notre capacité à examiner le monde physique lui-même.

Une analogie simple de la façon dont un aiguillage fullerène agit comme un aiguillage de voie ferrée. L’impulsion lumineuse peut modifier le chemin emprunté par l’électron entrant, représenté ici par un train. Crédit : 2023 Yanagisawa et coll.

Le chercheur du projet Hirofumi Yanagisawa et son équipe ont théorisé sur le comportement de l’émission d’électrons à partir de molécules de fullerène excitées lorsqu’elles sont exposées à certains types de lumière laser, et lors du test de leurs prédictions, ils ont constaté qu’elles étaient correctes.

« Ce que nous avons pu faire ici, c’est contrôler la façon dont la molécule dirige le chemin de l’électron entrant en utilisant une très courte impulsion de lumière laser rouge », a déclaré Yanagisawa. « En fonction de l’impulsion lumineuse, l’électron peut soit rester sur son chemin virtuel, soit être redirigé de manière prévisible. C’est donc un peu comme commuter des points sur une voie ferrée ou un transistor à électrons, beaucoup plus rapidement. Nous pensons que nous pouvons réaliser une vitesse de commutation un millionième plus rapide. » fois qu’un transistor classique. Cela pourrait se traduire par des performances informatiques réelles. Mais il est tout aussi important que si nous pouvions régler le laser pour amadouer une molécule de fullerène pour qu’elle commute de plusieurs manières en même temps, cela pourrait être comme avoir plusieurs transistors microscopiques dans une seule molécule, ce qui peut augmenter la complexité du système sans augmenter sa taille physique.

La molécule de fullerène derrière l’interrupteur est attachée au nanotube de carbone le plus connu, bien qu’au lieu d’un tube, le fullerène soit une boule d’atomes de carbone. Lorsqu’ils sont placés sur une pointe métallique – essentiellement l’extrémité d’une épingle – les fullerènes sont orientés d’une certaine manière afin qu’ils orientent les électrons de manière prévisible. Des impulsions laser rapides à l’échelle des femtosecondes, quatre millionièmes de seconde, voire des attosecondes, des fractions de millionième de seconde, focalisent les molécules de fullerène pour stimuler l’émission d’électrons. C’est la première fois que la lumière laser est utilisée pour contrôler l’émission d’électrons d’une molécule de cette manière.

« Cette technique est similaire à la façon dont un microscope électronique à émission optique produit des images », a déclaré Yanagisawa. « Cependant, ceux-ci peuvent atteindre au mieux des résolutions d’environ 10 nanomètres, soit dix milliardièmes de mètre. Le commutateur fullerène améliore cela et permet une résolution d’environ 300 picomètres, soit trois cent billionièmes de mètre. »

En principe, étant donné que de nombreux commutateurs électroniques ultrarapides peuvent être intégrés dans une seule molécule, il suffirait d’un petit réseau de commutateurs fullerènes pour effectuer des tâches de calcul potentiellement beaucoup plus rapides que les micropuces conventionnelles. Mais il y a de nombreux obstacles à surmonter, comme la façon de miniaturiser le composant laser, qui serait nécessaire pour créer ce nouveau type de circuit intégré. Par conséquent, il faudra peut-être encore de nombreuses années avant de voir un smartphone basé sur une clé fullerène.

Référence : « Modification subnanoscale induite par la lumière d’une source d’électrons à une seule molécule » par Hirofumi Yanagisawa, Marcus Bonn, Hirotaka Kitoh Nishioka, Florian Joshin et Matthias F. Kling, 8 mars 2023, disponible ici. Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.106204

L’étude a été financée par PRESTO et la Fondation allemande pour la recherche.