NANOTECHNOLOGIES

Les effets quantiques dans les composants

Certaines nouvelles propriétés nées de l'échelle nanométrique dans les composants électroniques sont exploitées depuis la fin des années 1970. Les transistors à gaz d'électrons bidimensionnels sont apparus au début des années 1980. Lorsque l'épaisseur de la couche semiconductrice d'un transistor devient inférieure à 20 nanomètres, le mouvement des électrons perpendiculairement à la couche est quantifié. L'électron, perdant un de ses trois degrés de liberté, devient « bidimensionnel ». Les excellentes propriétés électriques des transistors utilisant cette propriété font qu'ils ont un bruit propre très faible, et qu'ils peuvent donc amplifier des signaux bien plus faibles que les autres types de transistors. Pour cette raison, ces transistors ont mené à une véritable révolution de la diffusion directe de la télévision par satellite : auparavant, l'émission nécessitait des satellites de forte puissance, relativement lourds, et des antennes de réception de 2 mètres de diamètre ; avec ces transistors, des antennes de 60 centimètres et des satellites légers suffisent. Du coup, ce ne sont plus les opérateurs de télécommunications qui contrôlent les satellites, mais les diffuseurs.

En optique, le défi est de toujours améliorer les lasers. Le laser à semiconducteur à puits quantique (couche active de quelques nanomètres d'épaisseur), utilisé dans tous les lecteurs de disques compacts et en télécommunications, a bouleversé la conception des lasers et leur fabrication. Le fait que les électrons aient leur mouvement bloqué dans une dimension et présentent des mouvements « quantifiés » dans un plan entraîne pour ces composants des performances inégalées.

Un grand domaine d'application des nanotechnologies est celui des communications. Là aussi, les progrès ont été considérables grâce aux avancées dans le domaine des fibres optiques et des lasers. Des systèmes transmettent jusqu'à 10 Tb/s (terabits/s, 10¹² b/s) sur une seule fibre optique (un milliard de communications téléphoniques simultanées !), avec 250 canaux à 40 Gb/s chacun, grâce à 250 lasers émettant à des longueurs d'onde échelonnées et dont les émissions sont couplées dans une même fibre. Le défi est aujourd'hui de manipuler ces données de manière totalement optique, car les conversions optique-électrique-optique sont à la fois très complexes et onéreuses. Cela nécessite la fabrication de circuits intégrés optiques actifs et passifs à grande fonctionnalité (comme on le fait pour les circuits électroniques). Or le confinement optique dans les structures diélectriques habituelles est « faible » et ne permet pas de guider efficacement la lumière, par exemple dans des virages très serrés. Des études en cours visent à contrôler la propagation de la lumière dans des milieux où la constante diélectrique est périodique, à la manière dont les cristaux, arrangements périodiques d'atomes, contrôlent la propagation des électrons. Il s'agit là du domaine, extrêmement prometteur, des « cristaux photoniques » . On explore aussi la propagation dans les milieux métalliques nanométriques, par les phénomènes de plasmons, propagation de paquets d'électrons excités. On se trouve ici dans des domaines de nanotechnologie où l'on exploite à la fois la miniaturisation et l'apparition de nouveaux effets physiques.

Les nanomatériaux structuraux

Dans ce domaine, on espère beaucoup de la nanostructuration. Les propriétés mécaniques, mais pas seulement elles (par exemple la résistance à la corrosion...), sont souvent grandement améliorées lorsqu'on atteint une structuration de la matière à l'échelle du nanomètre, avec de grandes différences dans le changement des[...]