La révolution des nanodispositifs quantiques
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La révolution des nanodispositifs quantiques Quelques exemples de nanodispositifs De la physique fondamentale aux applications : -Nanomagnétisme et disque dur -Confinement quantique et marqueur en biologie -Transport quantique : le transistor à nanotube de carbone -Nanophotonique et communications -… Densité de stockage magnétique Démonstrations: jusqu’à 245 Gbit/in2 Produits commerciaux: ~100 Gbits/in2, 130 GB/3.5” Plateau 2 1 Tbit/in ⊥ 2 Areal Density (Gbit/in ) 2 100 100 Gbit/in 10 2 1 1 Gbit/in || 25 years 0.1 0.01 1E-3 2 1 Mbit/in 1E-4 1E-5 1E-6 1950 2 kbits/in2 1960 1970 , , 1980 1990 Date (year) Products Lab Demos 2000 2010 2020 ~108 d’augmentation 10 years 10000 1000 Recherche: ≥1 Tbits/in2 Options technologiques: Longitudinal Perpendicular Heat Assist Discrete Track Discrete Bit Self Organized Media Nanotechnologie du disque dur Grains magnétiques en CoCrPt Gbit/in2 100 1000 Inductive Write Element 10 nm 64 nm 7-10 nm GMR Read Sensor × ~1/3 4-5 nm W t d Grain Structure and Magnetic Transition 70-100 grains B × ~1/3 Trac k of R e cord ing B = 30 nm (σj < 3 nm) W=194 nm, t = 15 nm, d= 10 nm M ed ia Dire c t io n of Nécessité : σj~ 1nm pour une densité du Tbits/inch² Di s k Mot ion La limite superparamagnétique Plus forte densité->plus petits grains Haute densité->Petits volumes K uV τ = f exp k BT −1 0 K uV = 40 − 60 k BT est nécessaire industriellement Les grains petits ont une stabilité moins grande, le bit est donc instable Le trilemne du disque dur SNR~20×log(B/σj) avec σ j ∝ < D > 3 / Wread SNR K uV = 40 − 60 k BT Thermal Stability Writeability HK = 2K u − NDM S MS La densité de bits résulte d’un compromis entre signal/bruit, stabilité thermique des grains et champ d’écriture Nouvelle technologie : écriture assistée thermiquement Laser Heated Spot GMR Element Shield Enregistrement perpendiculaire HAMR Boites Quantiques semiconductrices ZnS 2-5 nm CdSe Nanoparticules composées de 100 à 100000 atomes de CdSe recouverts par une coquille de ZnS Sources de lumière pour le marquage biologique ou la cryptographie quantique Particule dans une boîte 1D Énergie potentielle Force F=0 Mouvement de translation uniforme 1D Classiquement: x(t) = x0 + v0t 1 2 E = m v0 2 E=Ecin continue Énergie cinétique pure Particule dans une boîte 1D En quantique, on résoud - η2 d 2ψ(x) Hψ(x)= = Eψ(x) 2 2m dx avec conditions aux bornes ψ(0)= 0 ψ(L) = 0 Opérateur d’énergie cinétique Particule dans une boîte 1D Solutions avec conditions aux bornes ψ (0) = 0 ψ (L) = 0 2 nπ x sin ψ n (x) = L L n2h2 En = 2 8mL n ∈N* (n = 0,1,2,3,...) Particule dans une boîte 1D Solutions avec conditions aux bornes ψ (0) = 0 ψ (L) = 0 2 nπ x sin ψ n (x) = L L n2h2 En = 2 8mL n ∈N* (n = 0,1,2,3,...) Particule dans une boîte 1D • Propriétés des solutions – Énergie discrète: confinement quantification ψ n (x) Énergie cinétique précise, mais nh p = ± = ± knη 2π L 2nη ∆p = ⇔ L n kn = L ∆p.L = 2n η Principe d’incertitude de Heisenberg ψ n (x) 2 Particule dans une boîte 1D • Polyène: ex. du β-carotène 22 électrons π =22 particules dans 1 boîte 1D 2.94 nm état fondamental 1er état excité n=12 n=12 n=11 n=11 Emission et absorption ajustable avec la taille des nanoparticules L (AU) L 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 absorption 5.0 nm CdSe 2.2 nm CdSe 350 450 550 650 Wavelength (nm) Plus les particules sont petites, plus l’emission est décalée vers les courtes longueurs d’onde (grandes énergies) Voir les moteurs moléculaires Couple kinésine-microtubule à la base du transport intra-cellulaire Nanoparticules métalliques : plasmonique Marqueurs nanométriques Diffusion plasmon de nanoparticules d’or observées par microscopie optique en champ sombre Coupe, 4ème siècle L’échelle mésoscopique macroscopique mésoscopique microscopique C N Mn F L 1 µm classique 1 nm quantique Transport électronique conducteur classique L loi d’Ohm J = σ Ε modèle de Drude : porteurs de charge en mouvement particules classiques sans interaction grandeurs locales : conductivité σ, mobilité µ Échelles de longueur pertinentes : λF (longueur d’onde des électrons de conduction) LD (libre parcours moyen) L>LD transport diffusif (Drude) L<LD transport ballistique Le transport cohérent électrons : objets quantiques étendus caractère ondulatoire énergie quantifiée phase de l’onde conservée sur une longueur Lφ L < Lφ régime mésoscopique transport gouverné par les effets quantiques exemple : interférences quantiques Effets d’interférences électroniques Buks, Schuster et al. (1998) Quantification de la conductance contact ponctuel quantique : guide d’ondes de largeur ajustable C. Schönenberger, Bâle I e2 G= =2 N V h contact ponctuel gaz d’électrons 2D grille van Wees, van Houten (1988) Le transistor à un électron CEA Saclay jonction électrode de grille blocage de Coulomb : I V Vg Diamants de Coulomb mesurés sur une molécule unique Le transistor à un électron Comment contrôler le passage des charges ? Le transistor à un électron courant électrique créé par le déplacement des charges une charge électrique pente ~ la tension électrique Le transistor à un électron tension Vg ~ position du piston Vg Vg faible Le transistor à un électron Le transistor à un électron Le transistor à un électron Le transistor à un électron phénomène physique : la répulsion entre deux charges I=0 V Vg Le transistor à un électron On tire sur la grille V Vg Nanotubes de carbone • Identification: S.Iijima in 1991 • Enroulement du graphene (n,n) Armchair a2 a1 (n,m) θ Chiral angle Chiral vector C=na1+ma2 (n,0) Zigzag Iijima, Nature, 56, 354 (1991) Métallique ou semiconducteur suivant l’enroulement Nanotubes de carbone 0.5 nS fils unidimensionnels semiconducteurs ou conducteurs 0 40 nm STM Prochaine étape : le dopage n 40 m MPQ, Paris Diderot Transistors à nanotube C. Dekker, TU Delft Schönenberger, Bâle Tans et al. (1998) Nanophotonique sur Si Compatibilité CMOS (technologie silicium, lithographie…) Objectif : transmission optique de données couplée à un microprocesseur électronique Technologie de multiplexage optique développée par NEC Comparaison des vitesses de processeurs et de bus actuels Sources Détection Electroluminescence à effet de champ de nanocristaux de Si Guidage Evolution de la taille des guides d’ondes Si/SiO2 Start-up leader : Luxtera www.luxtera.com Lignes de délais en Si Cristaux photoniques Bande interdite pour la lumière : Guidage de la lumière Guides d’onde à base de cristal photonique Cavité optique Cavité optique Ge/Si et spectre de luminescence associé Laser E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987) Diminution des pertes par émission spontannée Lasers à cascade quantique UV Near IR 0.5 1 1.5 2 Lasers à Cascade Quantique 2,46 µm < λ < 350 µm Diodes Laser Classique Moyen IR 0 5 10 THz Lointain IR 15 Longueur d’onde (µm) 20 25 100 Lasers à cascade quantique InAs AlSb 3 Transitions optiques entre sousbandes AlSb Ecart d’énergies faible -> grande longueur d’onde 12-30 µm 45 nm 2 1 25 Å Axe de croissance(z) Plusieurs photons par électron (cascade) Lasers à cascade quantique Guide d’ondes ACTIVE REGION eINJECTOR 3 2 1 MINIBAND 3 g 55 nm MINIGAP ACTIVE REGION 2 1 1 STAGE image TEM d’une région active d’un laser à cascade quantique Lasers à cascade quantique 6 5 4 3 2 Miniband 1 Miniband 2 1 AlInAs Pump Active Stokes Substrat InP Comment réaliser tous ces dispositifs nanométriques ? Anne Anthore
