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Résonateurs Nanomécaniques – Comment l’Informatique Quantique Peut Bénéficier de Ces Dispositifs Piézoélectriques

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Miniaturisation des capteurs

As our technology becomes increasingly precise, it also requires ever-shrinking devices. This is well known for semiconductor technology like chips, with une lithographie de 2 nm (nanomètre) actuellement testée par les leaders de l’industrie comme TSMC.

Source: TSMC

Cela est également vrai pour les pièces mécaniques, où la réaction n’est pas principalement électrique, comme dans les semi-conducteurs. Un élément clé est les résonateurs mécaniques à l’échelle nanométrique. La très petite taille de ces dispositifs les rend très utiles pour mesurer des particules uniques.

Jusqu’à présent, seuls un nombre limité de matériaux non conducteurs ont été utilisés pour fabriquer des résonateurs mécaniques. Cela a maintenant changé grâce aux travaux de chercheurs de l’Université de technologie de Chalmers (Suède) et de l’Université de Magdebourg (Allemagne).

Ce groupe de chercheurs a créé un résonateur mécanique à partir d’un nouveau matériau, qui possède à la fois d’excellentes propriétés de résonance et est également piézoélectrique. Ces résultats ont été publiés dans Advanced Materials, sous le titre «Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High-Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics1».

Résonateurs Nanomécaniques

Les résonateurs sont des composants comme des diapasons capables de vibrer à des fréquences spécifiques. Dans le cas du  diapason, il oscille à sa fréquence de résonance, produisant une onde sonore dans notre gamme auditive.

Aujourd’hui, les résonateurs ont été réduits à l’échelle micrométrique et nanométrique. Ces minuscules résonateurs fonctionnent à des fréquences beaucoup plus élevées que les grands, et sont extrêmement sensibles. Cela en fait d’excellents capteurs pour des mesures à l’échelle microscopique.

Par exemple, un tel nano-résonateur peut être utilisé pour mesurer les spins d’un proton unique ou la gravité entre de petites masses.

Rendre les Résonateurs Plus Utiles

Jusqu’à présent, la plupart des meilleurs résonateurs nanomécaniques sont fabriqués à partir de nitrure de silicium sous tension. C’est un matériau aux qualités mécaniques exceptionnelles, offrant un très bon résonateur. Le problème est que le nitrure de silicium n’est ni magnétique, ni piézoélectrique, et ne conduit pas l’électricité.

C’est un problème pour convertir la résonance mécanique en signal électrique, ou pour la contrôler directement. Ainsi, globalement, ces résonateurs en nitrure de silicium ne peuvent interagir avec d’autres systèmes que lorsqu’un autre matériau est ajouté sur le nitrure de silicium.

Le problème est qu’une telle addition nuit directement aux performances du résonateur.

À la place, les chercheurs ont réussi à créer un résonateur nanomécanique en nitrure d’aluminium sous tension. Ce matériau est piézoélectrique, mais il présente également d’excellentes propriétés en tant que résonateur, mesurées par une caractéristique appelée « facteur de qualité mécanique » (Qm).

“Le résonateur en nitrure d’aluminium a atteint un facteur de qualité de plus de 10 millions. Cela suggère que la nitrure d’aluminium sous tension pourrait constituer une nouvelle plateforme matérielle puissante pour les capteurs quantiques ou les transducteurs quantiques.

Witlef Wieczorek – Professeur de physique au Département de microtechnologie et nanoscience de l’Université de technologie de Chalmers.”

Les matériaux piézoélectriques sont un type de matériau qui convertit naturellement le mouvement mécanique en signaux électriques et vice‑versa.

Cette charge électrique est produite par une asymétrie forcée: dans les matériaux piézoélectriques, les charges positives et négatives sont séparées les unes des autres, tout en restant alignées dans un motif symétrique.  Lorsque le stress mécanique est appliqué à la substance, cette symétrie est perdue, entraînant la production d’une charge électrique.

Ainsi, contrairement aux versions précédentes de résonateurs, un résonateur en nitrure d’aluminium peut être directement interfacé avec d’autres systèmes nanoscale. Et il pourrait être utilisé pour une lecture directe dans les capteurs.

Comment il a été fabriqué

Pour développer ce nouveau type de résonateur, les chercheurs ont créé un film mince très tendu (sous tension) de nitrure d’aluminium d’une épaisseur de 295 nm, en le faisant croître sur un substrat de silicium. La tension était « d’environ 1 GPa, l’équivalent de soutenir deux éléphants sur un ongle ».

Ils ont utilisé un nouveau design de résonateur, appelé trianguline, qui ressemble à une fractale composée d’un pad central en forme de triangle.

Le trianguline pourrait être particulièrement utile car il peut maintenir une oscillation quantique cohérente unique à température ambiante. Cela faciliterait grandement son utilisation dans la technologie quantique.

L’étape suivante

En tant que prototype inédit, il est probable que le résonateur en nitrure d’aluminium présenté ici puisse encore être amélioré.

La première étape consistera à le fabriquer avec un facteur de qualité encore plus élevé, le rendant plus sensible et utile. L’étape suivante sera d’expérimenter et de déterminer comment adapter de manière fiable le design afin qu’il puisse exploiter la piézoélectricité pour des applications de détection quantique.

Applications

L’application la plus évidente serait dans l’informatique quantique. La plupart des ordinateurs quantiques fonctionnent en mesurant les propriétés des bits quantiques (qubits).

Les qubits peuvent exister dans plusieurs états simultanément grâce à deux propriétés quantiques: superposition et intrication.

  • Superposition permets aux qubits de représenter à la fois 0 et 1 en même temps, augmentant exponentiellement les données pouvant être traitées comparé aux bits classiques.
  • Intrication lie les qubits de telle façon que l’état d’un qubit peut affecter instantanément un autre, même à grande distance.

Ces propriétés permettent aux QPU de résoudre des problèmes hautement complexes beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques en explorant simultanément plusieurs solutions.

Cependant, les qubits sont extrêmement fragiles, et mesurer leurs propriétés n’est pas une tâche aisée. Un résonateur à température ambiante qui est également piézoélectrique pourrait changer la donne, tant en termes de performances que de coûts.

Cela pourrait faire des résonateurs en nitrure d’aluminium une partie clé du développement des Unités de Traitement Quantique capables de remplacer notre CPU actuel, un sujet que nous avons abordé plus en détail dans «Quantum Processing Units (QPUs): The Future of Computing» et dans «The Current State of Quantum Computing ».

D’autres applications pourraient découler de l’extrême précision des résonateurs, dans des applications de niche où un faible bruit et une longue cohérence sont requis, comme les suspensions de miroirs, les dispositifs optomécaniques à cavité quantique, ou les capteurs nanomécaniques, tous utiles pour les nanodispositifs tels que les LED, le calcul photonique, etc.

Ceci est un autre exemple de l’importance que les matériaux piézoélectriques pourraient avoir dans les technologies futures. Vous pouvez en apprendre davantage sur ce sujet grâce à certains de nos articles couvrant ces matériaux:

Investir dans la Nanotechnologie

La nanotechnologie devient un segment en pleine croissance au-delà de la fabrication de semi-conducteurs, avec la promesse de matériaux extraordinaires pour les industries aérospatiale, biotechnologique, énergétique et chimique.

Vous pouvez investir dans des entreprises de nanotech via de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, Royaume‑Uni, ainsi que dans de nombreux autres pays.

Si vous n’êtes pas intéressé par la sélection d’entreprises nanotech spécifiques, vous pouvez également vous intéresser aux ETF de nanotechnologie comme le ProShares Nanotechnology ETF (TINY) ou le Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) qui offriront une exposition plus diversifiée pour profiter des actions d’informatique quantique & nanotech.

Ou vous pouvez consulter notre liste des «Top 10 des actions de nanotechnologie» et 5 meilleures entreprises d’informatique quantique.

Entreprise de Résonateurs

SITM Graphique du prix

À mesure que nos ordinateurs et appareils électroniques deviennent plus complexes, disposer de mesures précises devient encore plus important, parfois une question de vie ou de mort.

C’est le cœur de SiTime (SITM ), une entreprise centrée sur la mesure précise du temps utilisant la technologie du silicium. Cela ressemble à l’utilisation des cristaux de quartz dans les montres (une technologie de 70 ans), mais avec des performances supérieures:

  • Résistance extrême aux interférences provenant des chocs, des vibrations, des variations de température, du jitter et du bruit.
  • Petite taille et faibles exigences en énergie.
  • Programmable et performances supérieures.

Source: SiTimes

SiTime est l’entreprise responsable de la création du concept de « chronométrage de précision », un segment qui croît de 30 à 35 % par an et sur lequel l’entreprise détient 90 % de part de marché.

En tant qu’entreprise « fabless » de semi-conducteurs, SiTime se concentre sur le développement de ses IP, laissant la fabrication réelle aux leaders de l’industrie, un modèle commercial similaire à Nvidia (NVDA ) pour ses GPU et puces IA.

Une mesure du temps plus précise grâce au chronométrage de précision devient indispensable, alors que les nouvelles technologies informatiques et télécoms évoluent très rapidement:

  • La connectivité 5G est 10 fois plus rapide que la 4G
  • Les centres de données fonctionnent également 10 fois plus rapidement qu’il y a quelques années, et sont prêts à s’accélérer avec la croissance des applications IA.
  • L’automobile et d’autres véhicules intègrent aujourd’hui beaucoup plus d’électronique, et avant l’avènement des robotaxis (tous les niveaux d’autonomie supérieurs à 2 nécessitent un chronométrage de précision).
    • SiTime propose la technologie « FailSafe » où le dispositif unique intègre résonateurs, oscillateurs, horlogerie, et mécanismes de sécurité avancés pour le chronométrage dans les véhicules autonomes. Les expéditions en volume ne commenceront qu’en 2025.
  • Le secteur aérospatial croît rapidement avec des entreprises comme SpaceX qui ouvrent la voie tant en matière de volume lancé que de nouvelles applications comme l’Internet spatial à faible latence.

Passée d’une start‑up avec peu de revenus en 2019 (principalement des oscillateurs) et lançant ses premiers résonateurs en 2020, SiTime a connu une croissance très rapide, augmentant simultanément ses revenus, sa marge brute et sa marge opérationnelle.

Source: SiTimes

Cela suit la croissance globale du Marché Adresseable Serviceable (SAM) pour SiTime, passant de 1 milliard de dollars en 2021 à 4 milliards de dollars en 2024, dans le cadre du marché du chronométrage plus vaste de 10 milliards de dollars.

Source: SiTimes

SiTime a investi plus de 500 M$ en R&D de façon cumulative depuis sa création. L’industrie des systèmes micro‑électromécaniques (MEMS) a tendance à favoriser une structure où une entreprise domine presque entièrement un segment, les barrières à l’entrée étant élevées (coûts de R&D, expertise technique, brevets) et les clients ayant tendance à rester fidèles aux leaders du secteur.

Cela place SiTime comme le leader des « MEMS de chronométrage », aux côtés d’autres entreprises comme Broadcom (AVGO ) pour les radiofréquences ou Bosch pour les capteurs inertiels (SiTime était une spin‑off de Bosch, avant d’être rachetée par la société japonaise Megachips et cotée au NASDAQ en 2019).

Avec les centres de données IA, le déploiement de la 5G, les télécommunications par satellite et les véhicules autonomes, tous des secteurs en croissance exponentielle, SiTime est bien positionnée pour croître très rapidement, et devenir une pierre angulaire moins connue mais vitale de la révolution actuelle de la connectivité & IA.

Référence de l’étude:

1. Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, L. R., Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024). Résonateurs cristallins nanomécaniques AlN avec des facteurs de qualité élevés pour l’optoélectromécanique quantique. Advanced Materials, 36(44), 202403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155

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Jonathan est un ancien chercheur en biochimie qui a travaillé dans l'analyse génétique et les essais cliniques. Il est maintenant analyste boursier et rédacteur financier, spécialisé dans l'innovation, les cycles de marché et la géopolitique dans sa publication 'The Eurasian Century'.