Il n’est pas vivant et n’a pas de structures approchant même la complexité du cerveau, mais un composé appelé dioxyde de vanadium est capable de “se souvenir” des stimuli externes précédents, ont découvert les chercheurs.
C’est la première fois que cette capacité est identifiée dans un matériau ; mais ce ne sera peut-être pas le dernier. La découverte a des implications assez intrigantes pour le développement des appareils électroniques, en particulier le traitement et le stockage des données.
“Nous rapportons ici des états structuraux à longue durée de vie accessibles électroniquement dans le dioxyde de vanadium qui peuvent fournir un schéma de stockage et de traitement des données”, écrivent une équipe de chercheurs dirigée par l’ingénieur électricien Mohammad Samizadeh Nikoo de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse dans leur article.
“Ces dispositifs fonctionnels semblables à du verre pourraient surpasser l’électronique conventionnelle métal-oxyde-semi-conducteur en termes de vitesse, de consommation d’énergie et de miniaturisation, ainsi que fournir une voie vers le calcul neuromorphique et les mémoires à plusieurs niveaux.”
Le dioxyde de vanadium (VO2) est un matériau qui a récemment été proposé comme alternative ou complément au silicium comme base pour les appareils électroniques, en raison de son potentiel à surpasser ce dernier matériau en tant que semi-conducteur.
L’une des propriétés les plus intrigantes du VO2 est qu’en dessous de 68 degrés Celsius (154,4 degrés Fahrenheit), il se comporte comme un isolant – mais au-dessus de cette température critique, il passe brusquement à un métal, avec une bonne conductivité, un changement connu sous le nom de métal -transition d’isolant.
Ce n’est que récemment, en 2018, que les scientifiques ont découvert pourquoi : à mesure que la température augmente, la façon dont les atomes s’organisent dans leur réseau change.
Lorsque la température redescend, le matériau revient à son état isolant d’origine. Samizadeh Nikoo a initialement entrepris d’étudier le temps nécessaire à la VO2 pour passer de l’isolant au métal, et vice versa, en prenant des mesures lorsqu’il a déclenché l’interrupteur.
Ce sont ces mesures qui ont révélé quelque chose de très particulier. Bien qu’il soit revenu au même état de départ, le VO2 s’est comporté comme s’il se souvenait d’une activité récente.
Les expériences consistaient à introduire un courant électrique dans le matériau, qui suivait un chemin précis d’un côté à l’autre. Ce courant a chauffé le VO2, le faisant changer d’état – le réarrangement susmentionné de la structure atomique. Lorsque le courant a été supprimé, la structure atomique s’est à nouveau détendue.
Lorsque le courant a été rétabli, les choses sont devenues intéressantes.
“Le VO2 semblait ‘se souvenir’ de la première transition de phase et anticiper la suivante”, explique l’ingénieur électricien Elison Matioli de l’EPFL. “Nous ne nous attendions pas à voir ce genre d’effet mémoire, et cela n’a rien à voir avec les états électroniques mais plutôt avec la structure physique du matériau. C’est une découverte inédite : aucun autre matériau ne se comporte de cette manière.”
Les travaux de l’équipe ont révélé que VO2 stockait une sorte d’informations sur le courant le plus récemment appliqué pendant au moins trois heures. Cela pourrait, en fait, être beaucoup plus long – “mais nous n’avons pas actuellement les instruments nécessaires pour mesurer cela”, déclare Matioli.
L’interrupteur rappelle le comportement des neurones dans un cerveau, qui servent à la fois d’unité de mémoire et de processeur. Qualifiée de technologie neuromorphique, l’informatique basée sur un système similaire pourrait présenter un réel avantage par rapport aux puces et circuits imprimés classiques.
Parce que cette double propriété est innée au matériau, VO2 semble cocher toutes les cases de la liste de souhaits pour les dispositifs de mémoire : potentiel de haute capacité, haute vitesse et évolutivité. De plus, ses propriétés lui donnent un avantage sur les dispositifs de mémoire qui encodent les données dans un format binaire contrôlé par des états électriques.
“Nous avons signalé une dynamique semblable à du verre dans le VO2 qui peut être excitée à des échelles de temps inférieures à la nanoseconde et surveillée pendant plusieurs ordres de grandeur dans le temps, de la microseconde à l’heure”, écrivent les chercheurs.
“Nos dispositifs fonctionnels peuvent donc potentiellement répondre aux exigences continues de l’électronique en termes de réduction d’échelle, de fonctionnement rapide et de diminution du niveau d’alimentation en tension.”
La recherche a été publiée dans Nature Electronics.
