Quand le silicium devient supraconducteur

Le silicium est le semi-conducteur de référence. Il a accompagné toute l’ère de la micro-électronique au cours des cinquante dernières années. Après des investissements considérables, ce matériau est aujourd’hui le plus important pour la technologie de l’information et de la communication. Compte tenu de l’ampleur des recherches sur ce matériau, quelle nouvelle propriété peut-on bien lui trouver aujourd’hui ? Il se trouve qu’en le traitant de façon appropriée, le silicium devient un supraconducteur.

Certes, pour ce faire, il est nécessaire de le « doper » de façon « abusive », et de le refroidir à une température proche du zéro absolu (0,3 °K=-273°C), mais il n’en reste pas moins que ce semi-conducteur typique peut devenir supraconducteur à pression ambiante. Paradoxalement, ce qui rend le silicium si utile comme semi-conducteur est ce qui jusqu’à présent nous a empêché d’en faire un supraconducteur : il n’est possible d’y introduire que de très petites quantités d’autres éléments chimiques. C’est une des raisons pour lesquelles on peut le rendre si pur assez facilement. Lorsqu’il est pur, ce semi-conducteur n’a que très peu d’électrons libres pour conduire un courant électrique, et peut pour cette raison être considéré comme un isolant. Cette propriété change lorsqu’on ajoute au matériau une petite concentration d’atomes qui ont soit un électron de plus (le phosphore) soit un électron de moins (le bore). Cette procédure est le « dopage » . C’est devenu aujourd’hui un art essentiel : le placement des dopants et la manipulation des porteurs de charges sont à la base de la multitude de produits que l’industrie de la micro-électronique met aujourd’hui sur le marché. Jusqu’à ce travail, l’idée qu’on se faisait de la conductivité du silicium était la suivante : lorsque la concentration des dopants (phosphore ou bore) dans le silicium est suffisante, les électrons supplémentaires qui orbitent autour des impuretés commencent à se recouvrir et deviennent mobiles dans le matériau qui se comporte alors comme un métal. Cette conductivité métallique persiste jusqu’à très basse température. Elle est limitée par le nombre de porteurs de charge c’est à dire la concentration de dopants, qui restent inférieurs à la limite de solubilité de l’impureté dans le cristal (soit 0,01% pour le bore dans le silicium).
Dans ces conditions, une nouvelle approche est nécessaire pour obtenir un alliage supraconducteur, à savoir remplacer 5 à 10% des atomes de silicium par du bore, ce qui ne peut pas être fait par les méthodes de croissance habituelles. Pour réussir à substituer un pourcentage aussi élevé d’atomes de silicium, on adsorbe une mince couche de bore à la surface du silicium, puis on fait fondre et refroidir la surface en un temps très court. Nos collaborateurs de l’Institut d’Electronique Fondamentale ont ainsi utilisé 200 impulsions laser de 25 ns pour fondre en surface le silicium [photo]. Les atomes de bore sont alors « piégés » dans le matériau « trempé » qui reste mono-cristallin, et lui apportent une concentration élevée de porteurs de charges. Ce cristal devient supraconducteur à basse température. Des calculs ab initio faits au LPMCN de Lyon, validés à l’Institut Néel par des mesures à température ambiante, montrent que les résultats sont compatibles avec une origine « conventionnelle » de cette supraconductivité. Il est aujourd’hui prématuré d’imaginer qu’on puisse intégrer du silicium supraconducteur dans l’électronique grand public. Il n’en reste pas moins que si cela devenait un jour possible, ce serait une véritable révolution.
Si réacteur de fusion par laser
réglage de l’optique du réacteur de fusion par laser à l’Institut d’Electronique Fondamentale, Orsay.
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