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Stocker un bit électrique dans un seul atome

19 décembre 2013

MPQ - UMR 7162 , ISMO - UMR 8214 , microscope à effet tunnel , mémoire , information

Des physiciens ont chargé et déchargé électriquement un atome de silicium individuel avec la pointe d’un microscope à effet tunnel. Pour la première fois, ce contrôle de charge a été réalisé avec un atome de silicium situé à la surface d’un échantillon massif et non pas avec un atome seul, déposé sur une couche isolante.

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La miniaturisation ultime des mémoires électroniques consiste à n’utiliser qu’un seul atome pour stocker un bit d’information. Cette performance a été réalisée par exemple en contrôlant l’état magnétique d’un seul atome. Toutefois si l’information était effectivement stockée sur un seul atome, le volume nécessaire à cette mémoire était bien plus grand, aussi bien à cause des structures isolant l’atome en question que de celles qui permettaient d’accéder à cette mémoire. Pour la première fois, des physiciens de l’Institut des sciences moléculaires d’Orsay - ISMO (CNRS / Univ. Paris-Sud), du Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques - MPQ (CNRS / Univ. Paris Diderot), de l’Institut de Science des Matériaux de Mulhouse et de l’Institut Jean Lamour ont réussi à contrôler l’état de charge d’un atome de silicium unique sans avoir à isoler celui du substrat. En combinant des expériences avec un microscope à effet tunnel à basse température à des simulations théoriques, les chercheurs ont montré que le silicium fortement dopé au bore possède des propriétés de surface très particulières permettant de les exploiter pour réaliser des mémoires. Ce travail est publié dans la revue Physical Review B.

Les atomes de silicium situés à la surface d’un échantillon ont une « liaison pendante ». Alors que les atomes situés au cœur du cristal ont quatre voisins, ceux de la surface n’en ont que trois. C’est cette liaison inutilisée qui a été mise à contribution par les chercheurs pour servir de « boîte quantique » contenant, ou pas, un électron. Pour obtenir une boîte isolée, les chercheurs ont utilisé une surface de silicium "passivé" à l’hydrogène, c’est-à-dire pour laquelle chacun des atomes de silicium de surface est en principe lié à un atome d’hydrogène. En pratique, quelques atomes de silicium sont restés libres et possèdent donc encore leur liaison pendante. Les chercheurs ont observé que, lorsque le silicium est dopé au bore, ces atomes peuvent accepter localement un électron supplémentaire ou le restituer sous l’effet d’un champ électrique. L’effet mémoire ainsi obtenu est stable sur plusieurs jours. Cette charge et décharge est obtenue à l’aide de la pointe d’un microscope à effet tunnel constituée d’atomes de tungstène. Une tension négative entre la surface et la pointe va ainsi permettre la charge négative de l’atome de silicium alors que lorsqu’on applique une tension positive, la charge va pouvoir s’évacuer de l’atome mémoire. L’analyse théorique de la structure électronique a permis aux chercheurs de montrer que c’est le dopage au bore qui permet d’avoir une mémoire qui reste stable sous deux états de charge : neutre, c’est-à-dire sans électron, ou négative, c’est-à-dire avec un électron. En l’absence de dopage ou pour un dopage du silicium à l’arsenic, un seul état de charge est stable et l’on ne peut donc pas avoir d’effet mémoire.

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Schéma de principe illustrant la charge et la décharge de l’atome de Si. (ligne du haut) Le bit est initialement ’0’ dans l’atome de Si. La pointe polarisé + du STM en rouge permet la charge du bit passant à 1. La charge dans l’atome de silicium est stable sans la pointe et reste à ’1’. (ligne du bas) Le bit est initialement ’1’ dans l’atome de Si. La pointe polarisé - du STM en vert permet la décharge du bit repassant alors à ’0’.

En savoir plus

Reversible charge storage in a single silicon atom
A. Bellec1,2, L. Chaput3,4, G. Dujardin1, D. Riedel1, L. Stauffer3 et P. Sonnet3 Physical Review B 88, 241406(R) (2013)

Contact chercheur

Damien Riedel, chargé de recherche CNRS

Informations complémentaires

1 Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay (ISMO)
2 Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (MPQ)
3 Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M)
4 Institut Jean Lamour

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr