ARCHIVÉ - Des chercheurs de l'INN réalisent une percée mondiale en créant le premier circuit électrique à molécule unique

Le 05 août 2005 — Ottawa (Ontario)

Des chercheurs de l'Institut national de nanotechnologie du Conseil national de recherches du Canada (INN) travaillent à concevoir l'ordinateur du futur, une molécule à la fois! Leur première réalisation, un circuit électrique composé d'une molécule unique, a fait l'objet d'un article qui a été publié dans la revue Nature le 2 juin 2005. Leur exploit ouvre la voie à la miniaturisation des ordinateurs et à la production de capteurs suffisamment petits pour détecter des interactions entre des molécules.

La miniaturisation des ordinateurs est présentement limitée par la taille des transistors. Chaque transistor possède trois électrodes, qui servent à conduire les électrons, et celles-ci doivent être en contact physique pour que le courant électrique puisse passer. Comme il est physiquement impossible de faire en sorte que trois électrodes puissent toucher la même molécule en même temps, l'équipe de l'INN, dirigée par Robert Wolkow, a fait ce qui s'en approche le plus : ils ont utilisé deux électrodes pour faire ce que les trois électrodes faisaient précédemment.

Représentation de la conductivité de la charge électrique à travers la molécule de styrène.

« Cette invention ne vise qu'à valider le concept et à montrer que les caractéristiques d'une molécule peuvent être commutée (elle peut activée et désactivée) par un seul électron situé juste à côté », explique Wolkow.

L'invention de M. Wolkow tire parti du fait que des molécules de styrène organiques s'organisent pour former des rangées bien nettes lorsqu'elles sont placées sur un substrat de silicium. Les processus d'auto-organisation juxtaposent automatiquement un atome de silicium chargé négativement à la fin d'une rangée de molécules de styrène.

La présence de cet électron de surplus sur l'atome de silicium, juste à côté de la molécule, provoque le passage des électrons de la pointe du microscope à effet tunnel (MET) à la molécule de styrène adjacente et à travers le substrat de silicium, créant du coup un nouveau type de circuit.

« C'est un peu comme un pont-levis, explique Wolkow. Une auto qui tente de traverser une vallée ne peut le faire qu'une fois que le pont-levis a été abaissé au niveau de la route. C'est seulement quand le pont rejoint la route que le véhicule peut traverser. »

En reprenant l'image du pont-levis, on peut dire que l'auto correspond à la charge électrique qui est émise à la pointe du MET, la molécule de styrène est le pont, et l'atome de silicium adjacent qui porte la charge électrique est le contrôleur qui détermine si le pont est au niveau de la route (activé) ou dans les airs (désactivé).

Le microscope à effet tunnel, que Wolkow a aidé à mettre au point dans les années 80, a joué un rôle très important dans cette découverte.

« Le MET ne ressemble pas à un microscope classique : il ne possède pas de lentille ou d'objectif dans lequel vous pouvez regarder, explique M. Wolkow. Il s'apparente plutôt à un tourne-disque. Vous déplacez une pointe très fine à la surface de l'objet à étudier pour en tracer la topographie. Si vous n'avez qu'un seul atome sous la pointe de l'instrument, vous pouvez alors tracer sa topographie à l'échelle atomique. »

Le MET bombarde les surfaces avec des électrons pour mesurer leur hauteur et il est suffisamment sensible pour détecter des molécules. L'équipe de l'INN a utilisé le MET pour produire une charge électrique et pour suivre le trajet de cette charge à travers la molécule de styrène. Le MET fait donc partie intégrante du circuit moléculaire, ce qui représente un obstacle qu'il faudra surmonter si l'on veut concevoir un dispositif utile à partir de cette découverte.

Debout, de g. à dr. : Jason Pitters, Gino DiLabio, Stanislav Dogel, Mohamed Rezeq. Assis, de g. à dr. : Janik Zikovsky, Paul Piva, Robert Wolkow

L'équipe de Robert Wolkow a très hâte d'intégrer son nanocircuit à des applications en informatique et en technologie médicale. Les ordinateurs possèdent des millions de transistors qui sont tantôt activés, tantôt désactivés, afin d'effectuer des fonctions logiques. Avec la technologie actuelle, il faut environ un million d'électrons pour modifier l'état de charge d'un seul transistor, ce qui consomme passablement de courant et entraîne une perte thermique considérable.

« Nous essayons de créer des multiples de ces molécules pour concevoir un circuit intégré prototype très simple, ajoute Wolkow. De tels dispositifs, qui n'utiliseraient qu'un seul électron, comporteraient des avantages énormes sur le plan de la vitesse et de la consommation d'énergie. Un ordinateur pourrait alors fonctionner avec pratiquement pas de courant.

« Nous voulons aussi créer une sorte de capteur qui pourrait être utilisé comme appareil de diagnostic médical », poursuit Wolkow.

Puisque le dispositif à conductivité moléculaire de Wolkow peut être activé et désactivé par le mouvement d'un seul électron, on pourrait envisager de créer un capteur biologique qui serait capable de détecter lorsqu'une molécule unique se lie à un récepteur sur une cellule.

M. Wolkow reconnaît que cette découverte a été rendue possible grâce à l'approche multidisciplinaire de l'INN et à sa relation privilégiée avec l'Université de l'Alberta. L'INN, en tant que principal institut de nanotechnologie du Canada, offre un environnement unique qui permet d'intégrer les compétences de chercheurs du CNRC et de l'Université de l'Alberta oeuvrant dans de nombreuses disciplines. Créé en 2001, l'INN est une initiative conjointe du gouvernement du Canada, du gouvernement de l'Alberta, du CNRC et de l'Université de l'Alberta.

« L'INN vise à réunir des chercheurs de différentes disciplines. C'est que j'essaie de faire en travaillant avec mes collègues de l'institut qui proviennent d'horizons très diversifiés, confie Wolkow. J'espère que ces interactions nous permettront de faire des découvertes que je n'aurais pas été capable de faire seul. »

Robert Wolkow est aussi redevable à ses collègues Gino DiLabio et Jason Pitters, de même qu'au boursier postdoctoral Paul Piva et au reste de l'équipe, qui sont parvenus à maîtriser la mécanique quantique et qui ont effectué des mesures précises, et qui étaient suffisamment déterminés pour mener le projet jusqu'à son aboutissement final.

L'équipe a déposé une demande de brevet sur son concept de transistor et de détecteur. Il faudra toutefois effectuer davantage de recherche fondamentale pour surmonter les obstacles théoriques et pratiques à la production du dispositif avant qu'il ne puisse être commercialisé. Robert Wolkow espère que cette découverte n'est que le début d'une entreprise d'exploration du monde à la nanoéchelle qui l'occupera toute sa vie .

« Si je suis assez chanceux pour travailler dans ce domaine dans 40 ans d'ici, j'aurai encore beaucoup à faire, estime Wolkow. Je ne peux pas imaginer que je pourrai faire toutes les choses que je veux faire en si peu de temps. Faire le pont entre la nano- et la macro-échelle – et ce que nous devrons faire si nous voulons exploiter cette découverte – représente en effet un énorme défi. »

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