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Mémoire : un record de miniaturisation grâce à un hologramme quantique

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En manipulant un nuage d'électrons pour y créer un hologramme, une équipe de l'université Stanford est parvenue à inscrire deux lettres dans un volume plus petit qu'un atome. Un exploit de laboratoire qui ouvre de nouvelles perspectives à long terme.

Schéma de principe. Le nuage électronique des atomes de cuivre (en jaune) est affecté par la présence de molécules de monoxyde de carbone (en noir). La conséquence est un motif stable dans les états quantiques des électrons. Codée, l'information correspond à deux lettres, ici S et U, inscrites ensemble, comme si elles occupaient deux couches distinctes. © Stanford University

La plus petite mémoire du monde occupe une surface à peu près carrée large de 0,3 nanomètre à la surface d'une pièce de cuivre. Et elle contient deux lettres... On peut y lire - avec des moyens sophistiqués - un S et un U, pour Stanford University. C'est en effet dans cette université californienne qu'une équipe de chercheurs (Christopher Moon, Laila Mattos, Brian Foster, Gabriel Zeltzer et Hari Manoharan) a réussi cet exploit, qui repose sur l'utilisation d'un microscope à effet tunnel. Cet instrument, constitué d'une pointe métallique extraordinairement fine que l'on déplace à très faible distance d'une surface peut aussi servir à mouvoir des atomes. En 1989, une équipe d'IBM avait ainsi inscrit les trois lettres de la compagnie en disposant 35 atomes de xénon sur une surface nickel. Chacune des lettres était quatre fois plus grosse que la mémoire de l'équipe de Stanford.

Les trois lettres I-B-M inscrites sur une surface de nickel et constituées d'atomes de xénon déplacés avec la pointe d'un microscope à effet tunnel. Ici, l'expérience présentée en avril 1990. © IBM

C'est donc à l'échelle subatomique que l'information a été inscrite. Pour y parvenir, les chercheurs ont dû manipuler les électrons eux-mêmes. Eux aussi ont utilisé un microscope à effet tunnel pour déplacer des molécules de monoxyde de carbone sur une surface de cuivre. Celles-ci, par leur seule présence, provoquent des ondes au sein du nuage électronique des atomes de cuivre. Analogues d'ondes de compression produites par une pierre bougeant dans l'eau, mais gouvernée par les lois de la mécanique quantique, elles génèrent des motifs dans ce nuage, qui peuvent être transformés en hologramme avec un peu de doigté.

20 bits par nanomètre carré

L'équipe de Stanford est parvenue de cette manière, en contrôlant précisément la position des molécules de monoxyde de carbone, à créer des motifs prévus à l'avance et donc à y stocker de l'information. Il s'agit d'un hologramme dans le sens où l'information est portée par un arrangement de structures matérielles. Mais il est ici bidimensionnel, à la surface du cuivre, contrairement à un hologramme classique à trois dimensions. Il ne se lit pas avec de la lumière mais à l'aide de tous les électrons de la surface de cuivre, au moyen, comme pour l'écriture, du microscope à effet tunnel.

De gauche à droite, Chris Moon, Hari Manoharan et Laila Mattos, trois des chercheurs qui ont participé au travail. © Stanford University

Publiés dans Nature Nanotechnology, ces résultats vont donc bien plus loin que les records actuels. Beaucoup cherchent encore à réaliser des mémoires à un seul électron (SEM, pour single electron memory, en anglais). Fin 2008, un qubit (un bit d'ordinateur quantique) avait été enregistré dans le noyau d'un atome.

En enregistrant ces deux lettres, les chercheurs expliquent avoir atteint une capacité de stockage de 35 bits par électron, ou, dit autrement, une densité de 20 bits par nanomètre carré ! Bien sûr, il ne s'agit pour l'instant que d'un travail à l'échelle du laboratoire et on est loin, très loin, d'une application, qui, d'ailleurs, concernera peut-être surtout l'ordinateur quantique, toujours hypothétique.

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