Réinventer le transistor

Chaque vendredi après-midi, aux Hewlett-Packard Labs de Palo Alto, en Californie, R. Stanley Williams, l'un des penseurs les plus respectés dans le domaine de l'électronique moléculaire, réunit son groupe de 25 chercheurs scientifiques pour discuter boutique. Un par un, ils se dirigent vers la salle de conférence. Williams arrive exactement à l'heure, s'assoit devant et se penche en arrière, fronçant les sourcils, les mains en cloche. Il a été embauché par HP en 1995 pour repenser les bases de l'informatique et a trié sur le volet l'équipe à l'intérieur de cette salle pour faire exactement cela. Williams aime porter des jeans et ses cheveux descendent jusqu'à mi-dos, il donne donc une première impression fugace de quiétude et d'informalité. Mais il ne sourit apparemment jamais et ses employés travaillent 19 heures par jour pour respecter ses délais. Williams attend quelques minutes les retardataires habituels, puis se lève. Il parle d'un ton efficace et monotone.

Nous allons d'abord entendre Gun-Young aujourd'hui, dit-il. Ce qu'il a accompli est magnifique. Tout le monde ici lui doit un déjeuner parce que son travail acharné a payé nos salaires au cours des derniers mois.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 2003

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Gun-Young Jung, un post-doctorant récent de Corée du Sud, se lève et décrit tranquillement son travail sur la lithographie par nano-impression, un processus qui utilise un moule physique pour créer des caractéristiques aussi petites que six nanomètres de diamètre sur des plaquettes de silicium. C'est plus d'un ordre de grandeur plus petit que les caractéristiques les plus fines réalisables en utilisant les processus photolithographiques avancés d'aujourd'hui. Parfois, les choses collent au moule, cependant. C'est comme de la pâte à gâteau collée à une poêle, dit-il. Son exposé dure une dizaine de minutes et est suivi de deux autres.

L'écoute de ces conférenciers, l'un après l'autre, donne progressivement une idée du style du groupe. Ils aiment l'autodérision et injectent de fréquentes expressions de perplexité dans leurs explications scientifiques, comme je ne sais pas et c'est toujours un mystère et j'ai encore besoin d'enquêter, et même je suis encore assez novice. Et malgré leur évidente expertise, ce n'est pas de la fausse modestie.

Le groupe de Williams est confronté à une tâche monumentale : essayer de fabriquer des ordinateurs dont la fonctionnalité repose sur le fonctionnement des molécules. Pour ce faire, il faudra réinventer le transistor. Alors que le silicium et d'autres semi-conducteurs inorganiques ont toujours été les éléments de base des micropuces, il s'avère que les molécules organiques peuvent également avoir des propriétés électriques potentiellement utiles. En effet, au cours des dernières années, les chercheurs ont appris à synthétiser des molécules pouvant fonctionner comme des interrupteurs électroniques, conservant en mémoire des 1 ou des 0 binaires ou participant à des opérations logiques. Et les molécules ont un avantage important : elles sont vraiment petites.

Un tel travail est essentiel pour l'avenir de l'informatique, car la technologie de fabrication de puces conventionnelle est sur une trajectoire de collision avec l'économie. Les meilleures puces informatiques d'aujourd'hui ont des caractéristiques de silicium aussi petites que 90 nanomètres. Mais plus les caractéristiques sont petites, plus l'équipement optique nécessaire pour les fabriquer est cher. La construction d'une usine de fabrication ultramoderne de micropuces en silicium coûte maintenant quelque 3 milliards de dollars. Une puce dans laquelle les transistors en silicium sont remplacés par des dispositifs moléculaires, en revanche, pourrait en principe être fabriquée par un simple processus chimique aussi peu coûteux que la fabrication d'un film photographique. Un circuit avec 10 milliards de commutateurs pourrait éventuellement tenir sur un grain de sel ; c'est mille fois la densité des transistors dans les meilleurs ordinateurs d'aujourd'hui. Un ordinateur construit à partir de tels circuits pourrait rechercher des milliards de documents ou des milliers d'heures de vidéo en quelques secondes, effectuer des simulations et des prédictions très précises de la météo et d'autres phénomènes physiques, et faire un bien meilleur travail pour imiter l'intelligence humaine, peut-être même communiquer avec nous via conversation naturelle.

Mais peu importe à quel point la théorie est tentante, il s'agit de recherches spéculatives, de ciel bleu, et investir dans l'électronique moléculaire est un pari que peu d'entreprises ont été prêtes à faire. La confiance de HP en Williams est l'une des principales raisons pour lesquelles c'est l'une des exceptions, déclare Shane Robison, vice-président exécutif et directeur de la stratégie et de la technologie de l'entreprise. En plus de sa capacité à constituer une équipe d'experts interdisciplinaires de premier ordre et de l'accent mis sur la façon de transformer la science et la technologie en produits réels, la meilleure qualité de Stan est probablement son éternel optimisme, déclare Robison. Bien sûr, il y a aussi l'attrait d'immenses profits, si jamais la technologie de Williams devait remplacer les puces de silicium conventionnelles. Des projets aussi ambitieux sont toujours de longue haleine, mais nous ne le ferions pas si nous ne pensions pas qu'il y avait de bonnes chances de réussir, dit Robison.

Certes, la société a couvert son pari en étant prudente avec le financement. Le groupe de Williams bénéficie d'une subvention de 12,5 millions de dollars sur quatre ans de la Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA) des États-Unis, et HP fournit des fonds de contrepartie, mais environ la moitié du financement de la DARPA va à des partenaires de recherche universitaires. Les signes d'économie sont omniprésents dans le laboratoire, de la pénurie de fournitures dans la salle de café à l'équipement truqué par le jury. Néanmoins, le groupe a fait une percée après l'autre, notamment en prouvant qu'une conception de barre transversale autrefois courante dans l'électronique conventionnelle peut être ressuscitée à l'échelle moléculaire. Lors d'une démonstration l'année dernière, le groupe a piégé des molécules dans les jonctions entre les nanofils de titane et de platine disposés dans une grille de huit par huit, d'un micromètre carré, et a montré que les molécules peuvent être activées et désactivées à des jonctions spécifiques-a première étape dans la construction d'une mémoire de travail ou d'un dispositif logique.

Travailler à l'aveugle

Passez du temps dans le laboratoire de Williams et vous commencez à comprendre pourquoi beaucoup de choses sur l'électronique moléculaire sont encore un mystère, à commencer par la question relativement simple de ce que les chercheurs construisent exactement. Yong Chen, originaire de Chine et membre du groupe de Williams depuis 1998, passe une grande partie de son temps assis dans une pièce étouffante et sans fenêtre de neuf mètres carrés rembourrée de mousse épaisse. C'est la maison d'un microscope électronique délicat, qui utilise des faisceaux d'électrons pour créer une image approximative des structures que Chen crée dans le laboratoire au bout du couloir.

Chen est le leader de l'équipe qui a donné au groupe son plus grand succès public à ce jour, la mémoire crossbar 64 bits. Son équipe a d'abord imprimé huit nanofils parallèles en titane et en platine sur un substrat de silicium et a recouvert ces fils d'une couche d'une molécule d'un produit chimique synthétique appelé rotaxane. Ils ont ensuite déposé un deuxième ensemble de fils de titane perpendiculairement au premier, créant la possibilité d'une connexion électrique entre les fils à n'importe quelle jonction de la grille.

Chaque molécule de rotaxane, inventée par le chimiste Fraser Stoddart de l'Université de Californie à Los Angeles, se compose d'un long axe avec deux morceaux d'atomes à chaque extrémité et d'un anneau d'atomes entourant l'axe. Les groupes de Stoddart et Williams émettent l'hypothèse que lorsqu'une tension est appliquée à travers une paire spécifique de nanofils se croisant, les anneaux sur les molécules de rotaxane entre les fils sautent d'une extrémité de l'essieu à l'autre et y restent jusqu'à ce qu'une autre tension soit appliquée. Cela pourrait augmenter ou diminuer la résistance des molécules au courant électrique, et ces deux états de conductivité représenteraient des 1 ou des 0 numériques. Maintenant, Chen, impatient de voir à quel point il peut fabriquer un tel appareil, essaie d'imprimer les fils individuels encore plus près les uns des autres. C'est un travail laborieux, où vous ne savez jamais si vous faites des progrès jusqu'au moment où cela fonctionne.

Aujourd'hui, Chen est bouche bée, ravi, concentrant une attention absolue sur l'écran devant lui, tout en essayant de poursuivre une conversation. Il n'est pas entièrement réussi. Plusieurs minutes s'écoulent tranquillement tandis qu'une question flotte dans l'air, sans réponse. Il augmente le grossissement du microscope en parcourant une série d'images floues gris sur gris qui ressemblent à des photos satellite d'un désert.

Après avoir terminé le processus de fabrication, nous venons ici pour vérifier quel genre de chose nous avons, dit-il. Je veux voir si le fil est relié au substrat ou suspendu au-dessus. Il y en a un. Oups, je l'ai perdu.

Finalement, il trouve quelque chose qui ressemble à une longueur de barre d'armature sur un tas de poussière de charbon, mais qui est en fait un fil de 35 nanomètres de largeur, reposant sur la base de silicium. Il prend une photo, silencieux à nouveau, retenant son souffle car les ondes sonores affecteront la qualité de l'image.

Nous pouvons parler maintenant, dit-il. Ici, en fait, vous pouvez voir que ce fil est cassé. Dommage. C'est une expérience de routine, franchement. L'objectif de Chen est de trouver une combinaison de matériaux - une recette, si vous voulez - qui confèrera au moule qui dépose les fils sur le substrat une adhérence semblable à celle du téflon ; sinon, ils se gonflent et se tordent lorsque le moule est retiré. Mais assis dans cette pièce feutrée recouverte de mousse, à regarder l'un des plus grands scientifiques du domaine chercher des images granuleuses, vous réalisez à quel point il est difficile de travailler à cette échelle. Trois semaines plus tard, après cinq mois d'expériences et d'observations minutieuses, Chen et Gun-Young Jung trouvent le résultat qu'ils recherchaient, rapprochant un peu plus la possibilité de circuits de taille moléculaire.

J'ai mal calculé plusieurs choses, dit simplement Chen.

Maintenant, il peut passer au problème suivant.

Changer de lieu

L'observation des résultats, bien sûr, est la dernière étape d'un train d'événements qui commence traditionnellement par une théorie sur la façon dont les choses devraient se comporter. Dans le cas de l'électronique moléculaire, cependant, très peu de choses se sont déroulées directement de la théorie à l'expérimentation et au résultat. Les théories peuvent languir pendant des années en attendant des outils suffisamment précis pour les tester. En fait, les chimistes ont proposé pour la première fois l'idée de l'électronique moléculaire au milieu des années 1970, mais il s'écoulera encore 20 ans avant que quiconque puisse commencer à la mettre en pratique. Dernièrement, cependant, les résultats expérimentaux ont commencé à dépasser la capacité des théoriciens à les expliquer.

L'un des casse-tête est le manque de cohérence dans la mesure des résultats expérimentaux, d'un laboratoire à l'autre et même d'une expérience à l'autre. Alex Bratkovsky, physicien théoricien originaire de Moscou qui a rejoint HP en 1996, dit qu'il a été l'un des premiers à se rendre compte que l'orientation d'une molécule entre des électrodes métalliques est essentielle pour comprendre ses propriétés de commutation. Le courant dépend énormément de la façon dont la molécule se connecte au substrat, explique Bratkovsky. Le signal peut disparaître, puis revenir, selon la position de la molécule. Nous avons ignoré ce fait pendant un bon moment. Étant donné que le contrôle de l'orientation de la molécule est encore au-delà des outils expérimentaux actuels, les résultats varient considérablement d'un laboratoire à l'autre, et les scientifiques doivent juger dans de nombreux cas si les différences entre leurs résultats ont une signification réelle ou peuvent être expliquées par des effets encore hors du contrôle expérimental.

Pour comprendre le phénomène de commutation, les chercheurs de HP étudient une gamme de nouvelles molécules qui pourraient être contrôlées plus facilement que le rotaxane, explique Bratkovsky. Certains d'entre eux sont déjà en cours de conception, mais les progrès sont lents. Cela peut prendre plus de deux ans pour concevoir, simuler, synthétiser et enfin tester une molécule pour ses propriétés électroniques, après quoi les chercheurs peuvent se retrouver à tout recommencer.

De l'autre côté du couloir de Bratkovsky, Duncan Stewart, un physicien expérimental récemment embauché par le laboratoire de Williams, a passé plus de six mois sur une expérience à contre-courant pour aider à déterminer pourquoi certaines molécules peuvent agir comme des commutateurs moléculaires, modifiant leur conductivité en réponse à une tension appliquée. Au lieu de molécules de conception comme le rotaxane, Stewart a utilisé une simple molécule d'hydrocarbure constituée d'une chaîne de 18 atomes de carbone entourée d'atomes d'hydrogène. Stewart l'appelle la Plain Jane du monde moléculaire. Il est stable, inerte et ne devrait théoriquement pas avoir de propriétés électroniques intéressantes. Mais ça a basculé quand même.

J'ai des tas de données, et l'histoire est que les données ne correspondent à aucun modèle ou à aucune théorie existante. Ainsi, même dans le cas le plus simple, nous ne comprenons pas comment les électrons voyagent à travers une molécule, dit-il. C'est parfois extrêmement frustrant. Vous devez être très entêté, vous cogner la tête contre un mur pendant six mois, et finalement une seule brique bouge, et finalement tout le mur s'effondre et vous voyez un autre mur.

La poussière dans la machine

Si les matériaux étudiés par ces chercheurs semblent déroutants et imprévisibles, la machinerie qu'ils utilisent l'est encore plus. Les progrès de l'électronique moléculaire sont souvent à la merci de problèmes imprévisibles dans l'équipement expérimental. Il s'agit, après tout, de la science de laboratoire et non de l'ingénierie.

Tan Ha, originaire du Vietnam, est en charge du matériel utilisé dans la salle blanche du laboratoire. Deux ou trois fois par jour, il enfile une combinaison de salle blanche et se rend dans la pièce pour tester, ajuster et modifier l'équipement pour ce qui est dans de nombreux cas des expériences uniques en leur genre. On s'habille. Maintenant, nous sommes prêts pour la guerre chimique, dit-il. Le masque sur son visage rend difficile de juger s'il plaisante.

Une fois à l'intérieur, nous nous dirigeons vers une machine appelée réacteur de dépôt chimique en phase vapeur. Il ressemble à un gros cylindre d'acier sur le côté, enfermé dans du verre. J'ai une relation particulière avec cette machine, dit-il, et touche le verre avec une main gantée.

Ce type de réacteur est standard dans les installations de fabrication de semi-conducteurs, mais Ha a modifié la machine pour effectuer les expériences ultraprécises requises par Ted Kamins, membre du groupe de Williams depuis 1995. Kamins a travaillé pendant des années sur le rêve ultime de la recherche nano : faire les appareils se développent dans les structures souhaitées plutôt que de les construire pièce par pièce. Son objectif est de développer les nanofils requis par l'électronique moléculaire, comme alternative à l'utilisation de la lithographie par nano-impression. Jusqu'à présent, Kamins a synthétisé des fils aussi petits que 10 nanomètres de diamètre en exposant des nanoparticules de divers matériaux à un mélange de gaz dans le réacteur de dépôt. Dans la réaction qui s'ensuit, de longues chaînes de silicium se développent autour des particules, produisant ce qui ressemble au microscope électronique à une forêt d'aiguilles.

Faire pousser les fils nécessaires à l'électronique moléculaire est une chose passionnante, mais les expériences particulières de Kamins n'ont presque pas eu lieu. Ha me dit qu'il a passé plus d'un an de sa vie à essayer de faire fonctionner la machine. Chaque fois que nous menions une expérience, la contamination détruirait le processus, dit-il. Ce n'était pas que la machine était cassée ; c'est juste que personne n'a jamais eu besoin de faire les expériences que Kamins voulait faire. Cela doit être un programme spirituel pour moi, dit Ha. Ted était frustré. Moi aussi. Je serais ici à genoux toute la journée, à modifier les choses vis par vis. J'allais me coucher le soir, je fermais les yeux et je voyais le schéma de plomberie sur mes paupières. Il s'est avéré que c'était un problème dans le système d'échappement. Je suis rentré chez moi et j'ai dit à ma femme, c'est tout ; Je suis un ingénieur en équipement éprouvé.' C'est à quel point j'étais heureux.

Choisir un gagnant

À la grande déception de Duncan Stewart, Williams lui a demandé de publier ses résultats avec la molécule d'hydrocarbure après six mois et de se concentrer sur d'autres travaux. Pourtant, Williams a encouragé Ha à continuer à travailler à genoux et à rêver de schémas de plomberie pendant un an, pour des expériences que Williams estime à au moins six ans et pourraient ne jamais donner de résultat pratique. Dans une mer de théories et de possibilités concurrentes, et avec les pressions budgétaires dont il se plaint avec une certaine régularité, comment décide-t-il ?

C'est une question d'expérience, dit Williams. J'ai été plusieurs fois dans des impasses au cours de ma carrière. Ils sont si alléchants. Vous pouvez entrer dans ces choses et penser, d'accord, juste un pas de plus, juste un pas de plus. D'autres choses semblent aller dans la bonne direction et je peux voir où nous allons. En d'autres termes, il a appris à se fier à son intuition, car c'est tout ce qu'il a. J'ai traversé le cycle plusieurs fois.

L'engagement le plus long de Williams envers toute idée d'électronique moléculaire concerne l'architecture à barres transversales. Mais il admet que même cette idée pourrait être une impasse. Sera-t-il un jour possible, par exemple, de piéger proprement des molécules à la jonction de deux fils en toute confiance dans leur orientation ? Ensuite, il y a le problème pratique du gain, ou de transformer une faible entrée électrique en une sortie forte ; il s'agit d'une capacité critique nécessaire à la fois pour effectuer des opérations logiques et pour amplifier les minuscules courants traversant les commutateurs moléculaires afin que les systèmes de silicium conventionnels puissent les détecter. Et c'est un problème sans solution démontrée.

Stan est un gars intelligent, que Dieu le bénisse, et si quelqu'un peut résoudre ces problèmes, ce sera son équipe, déclare James Tour, un chimiste de l'Université Rice qui travaille sur une approche concurrente de l'informatique moléculaire. Mais il a un gros problème. À chaque point de croisement, les molécules doivent être stables. Ensuite, ils doivent s'interfacer avec tous les fils qui sortent. Il y a un coût énorme à cela. Ils ont une pente raide à gravir.

Il est certainement possible que nous ayons tort, admet Williams. Puis il secoue la tête et cesse d'être humble pendant un bref instant.

Je ne pense pas, dit-il. Je pense que nous avons choisi le gagnant, quelque chose qui permettra à cette chose que nous appelons la loi de Moore de continuer pendant encore 50 ans. Je pensais que c'était impossible. Maintenant, je pense que c'est inévitable.

Alternatives au silicium
La technologie	éléments informatiques	Institutions de premier plan
calcul de l'ADN	Brins d'ADN et d'ARN en solution	Université du Sud Californie, Weizmann Institut des sciences
Appareils électroniques moléculaires	Des molécules telles que le rotaxane	Université Hewlett-Packard, Yale
Nanocellules	Nanoparticules d'or déposées en réseaux aléatoires	Université du riz
Composants électroniques nanotubes	Nanotubes de carbone jouant le rôle de transistors, de mémoire et de fils	IBM, Université Harvard, NASA Centre de recherche Ames
L'informatique quantique	Propriétés quantiques des électrons et des molécules	MIT, IBM, Hewlett-Packard, National Institut des normes et la technologie

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