Les fondements de l'électronique moderne, des smartphones dans nos poches aux supercalculateurs qui alimentent la recherche scientifique, sont construits sur le silicium. Ce matériau semi-conducteur omniprésent a été l'épine dorsale du progrès technologique pendant des décennies, mais son ère de domination est confrontée à des limites physiques fondamentales qui menacent de ralentir l'innovation. Face à ce défi, une équipe de chercheurs du prestigieux Massachusetts Institute of Technology (MIT) a présenté une solution révolutionnaire : un transistor magnétique qui non seulement surmonte les limites du silicium, mais ouvre également la porte à une toute nouvelle génération d'appareils électroniques plus petits, plus rapides et considérablement plus économes en énergie.

Une impasse à la fin de la loi de Moore

Les transistors, ces interrupteurs miniatures qui contrôlent le flux de courant électrique, sont les éléments de base de tout circuit numérique. Leur évolution a été guidée par la loi de Moore, une observation prophétique selon laquelle le nombre de transistors sur un circuit intégré double environ tous les deux ans. Cependant, à mesure que les dimensions des transistors se réduisent à l'échelle nanométrique, les ingénieurs se heurtent à des obstacles insurmontables. Le silicium, en tant que semi-conducteur, a une limite inhérente à la tension minimale requise pour son fonctionnement, ce qui affecte directement la consommation d'énergie. Une miniaturisation plus poussée entraîne des problèmes tels que les fuites de courant et un échauffement excessif, qui limitent les performances et la fiabilité. Essentiellement, l'ère de la croissance exponentielle permise par le silicium approche de sa fin physique, forçant la communauté scientifique à rechercher des approches radicalement nouvelles.

La spintronique : un nouveau paradigme pour le contrôle de l'électronique

La réponse à la crise du silicium pourrait résider dans la spintronique, une branche de la physique relativement jeune mais extrêmement prometteuse. Alors que l'électronique traditionnelle est basée sur le contrôle de la charge d'un électron, la spintronique exploite une autre de ses propriétés quantiques fondamentales : le spin. Le spin peut être simplement imaginé comme le minuscule magnétisme interne de l'électron, qui lui donne une orientation « vers le haut » ou « vers le bas ». Ces deux états peuvent être utilisés pour coder des informations binaires (0 et 1), tout comme le fait le passage ou l'absence de courant dans les transistors classiques. L'avantage clé réside dans le fait qu'il faut beaucoup moins d'énergie pour changer le spin que pour déplacer le courant d'électrons. C'est cette idée qui a guidé l'équipe du MIT dans le développement du transistor magnétique, un dispositif qui utilise le magnétisme pour un contrôle ultra-efficace d'un signal électrique.

Le bromure de sulfure de chrome : le matériau qui change tout

Au cœur de cette percée technologique se trouve un matériau exotique appelé bromure de sulfure de chrome ($CrSBr$). Il s'agit d'un matériau bidimensionnel, ce qui signifie qu'il peut exister en couches d'une seule épaisseur d'atome. Mais, contrairement à d'autres matériaux 2D bien connus comme le graphène, le $CrSBr$ possède une combinaison unique de propriétés : il est à la fois un semi-conducteur et un aimant. Chung-Tao Chou, l'un des auteurs principaux de l'étude publiée le 25 septembre 2025 dans la prestigieuse revue Physical Review Letters, a souligné que la recherche du bon matériau était l'un des plus grands défis. « Nous avons essayé de nombreux autres matériaux qui ne fonctionnaient tout simplement pas », a-t-il expliqué. Le $CrSBr$ s'est avéré idéal car ses états magnétiques peuvent être commutés de l'un à l'autre de manière très propre et fluide, ce qui est crucial pour le fonctionnement fiable d'un transistor en tant qu'interrupteur. Un avantage supplémentaire, et non des moindres, est sa stabilité à l'air, ce qui simplifie grandement le processus de fabrication par rapport à d'autres matériaux 2D sensibles.

Des performances révolutionnaires et une fabrication élégante

La manière dont les chercheurs ont construit le dispositif est aussi innovante que le matériau lui-même. Sur un substrat de silicium avec des électrodes pré-placées, ils ont soigneusement transféré une couche extrêmement mince de bromure de sulfure de chrome, d'une épaisseur de seulement quelques dizaines de nanomètres. Pour ce faire, ils ont utilisé une méthode de transfert simple mais ingénieuse à l'aide de ruban adhésif. Cette approche, selon Chou, élimine le besoin de solvants ou d'adhésifs qui peuvent contaminer la surface sensible du matériau et dégrader les performances du transistor. La propreté de l'interface entre le matériau et les électrodes s'est avérée essentielle pour obtenir des résultats exceptionnels.

Les performances du nouveau transistor magnétique dépassent de loin toutes les tentatives précédentes. Alors que les dispositifs magnétiques précédents ne pouvaient modifier le flux de courant que de quelques pourcents, le transistor du MIT réalise un changement d'un facteur allant jusqu'à 10. Cela signifie qu'il peut amplifier ou couper un signal électrique avec une efficacité sans précédent. Les scientifiques ont montré que l'état magnétique du matériau, et donc l'état du transistor (« allumé » ou « éteint »), peut être contrôlé à l'aide d'un champ magnétique externe avec une consommation d'énergie minimale. Plus important encore pour l'application pratique, ils ont prouvé que le même contrôle peut être obtenu en appliquant un courant électrique, ce qui est une condition préalable à l'intégration de millions de transistors de ce type sur une seule puce.

Un transistor avec mémoire intégrée : la fin du goulot d'étranglement informatique

L'aspect peut-être le plus passionnant de cette découverte est le fait que les propriétés magnétiques uniques du $CrSBr$ permettent aux transistors de posséder une mémoire intégrée. Dans les ordinateurs d'aujourd'hui, le traitement (effectué par le processeur) et le stockage des données (dans la mémoire RAM) sont physiquement séparés. Le transfert constant de données entre ces deux composants crée ce que l'on appelle le « goulot d'étranglement de von Neumann », qui consomme un temps et une énergie précieux et constitue l'une des principales limites des architectures informatiques modernes.

Le transistor magnétique du MIT résout élégamment ce problème en fusionnant les deux fonctions en un seul et même appareil. Il ne se contente pas de traiter l'information (en tant qu'interrupteur), il la mémorise également (en conservant son état magnétique même lorsque l'alimentation est coupée). « Maintenant, les transistors ne font pas que s'allumer et s'éteindre, ils mémorisent aussi l'information », explique Luqiao Liu, professeur associé au MIT et l'un des auteurs principaux de l'article. « Et comme nous pouvons commuter l'état du transistor avec une magnitude beaucoup plus grande, le signal est considérablement plus fort, ce qui nous permet de lire les informations stockées plus rapidement et de manière plus fiable. » Ce concept, connu sous le nom de « calcul en mémoire » (in-memory computing), pourrait conduire à des conceptions de circuits radicalement plus simples et plus puissantes et ouvrir la voie au développement de puces neuromorphiques qui imitent l'efficacité du cerveau humain.

Un aperçu de l'avenir de l'électronique

Bien que la démonstration de ce transistor magnétique soit un énorme succès scientifique, le chemin vers l'application commerciale nécessite encore des recherches supplémentaires. L'équipe prévoit maintenant d'étudier plus en détail les méthodes de contrôle du dispositif à l'aide du courant électrique et de travailler sur la scalabilité du processus afin de pouvoir produire non seulement des transistors individuels, mais des réseaux entiers, ce qui est la base de la création de circuits intégrés complexes. Bien qu'il existe des défis, tels que la garantie d'un fonctionnement optimal à température ambiante et le perfectionnement de la production de masse, ce travail représente une étape clé vers l'ère post-silicium. Il ouvre l'horizon au développement d'une électronique non seulement plus puissante, mais aussi fondamentalement plus efficace, ce qui pourrait avoir des conséquences considérables sur tout, de la durée de vie des batteries des appareils mobiles à la consommation d'énergie des immenses centres de données qui alimentent l'intelligence artificielle et les services cloud.