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Les isolants de Mott hors équilibre : un pas vers les neurones artificiels


Comment les isolants de Mott, un type de matériaux quantiques, deviennent conducteurs sous une forte tension ? Un chercheur du LPS et ses collaborateurs l’ont expliqué. Ces travaux permettent d’envisager des mémoires et neurones artificiels pour l’électronique de demain.

Depuis plus de 50 ans, la microélectronique suit une évolution appelée loi de Moore qui prédit un doublement du nombre de transistors par unité de surface tous les 18 mois. Mais aujourd’hui, la miniaturisation atteinte fait prédire la fin du respect de cette loi. La microélectronique réfléchit donc au « more than Moore » qui consiste à développer de nouvelles fonctionnalités basées sur les propriétés physiques de nouveaux matériaux, comme les isolants de Mott encore peu connus. Des chercheurs du LPS, de l’Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN), de l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes ont proposé un modèle pour expliquer le comportement de ces isolants.

Étudiés par les physiciens depuis plusieurs décennies pour leurs propriétés physiques exceptionnelles, les isolants de Mott peuvent devenir conducteurs sous forte pression ou par dopage chimique, deux paramètres difficilement conciliables avec les contraintes technologiques de la microélectronique. Cependant, l’application d’une tension peut les déstabiliser et les rendre conducteurs d’électricité. Des travaux précurseurs menés à l’IMN (experimental) et au LPS (théorie) ont montré que cette déstabilisation peut être utilisée pour réaliser des composants pour la microélectronique de demain : mémoires pour le stockage de l’information ou neurones artificiels pour l’informatique bioinspirée.

Or le mécanisme à l’origine de la mise hors équilibre des isolants de Mott sous champ électrique restait l’objet de controverses. Les chercheurs ont aujourd’hui montré que c’est la création massive d’électrons chauds sous champ électrique qui provoque, à bas champ, des non-linéarités [1]. Au-delà d’un certain seuil, un phénomène d’avalanche électronique, les électrons excitants leurs voisins les uns après les autres, déstabilise l’isolant de Mott.

Cette nouvelle compréhension a amené un meilleur contrôle de cette propriété et des fonctionnalités associées. En effet, dans une deuxième travail les chercheurs ont montré comment modéliser la relaxation d’une neurone artificielle basée sur ces matériaux [2]. Ces travaux sont des avancées majeures vers l’utilisation des isolants de Mott pour l’implementation de neurones électroniques pour des applications en Intelligence Artificielle.

Figure 1. Gauche : Effondrement résistif d’un isolant de Mott (photographie) sous un fort champ électrique. Le panneau inférieur montre la chute spectaculaire de tension sur l’échantillon et le panneau supérieur la montée concomitante du courant. Une fois la tension appliquée terminée, le système revient à l’état initial. Droite : conductivité non-linéaire en fonction du champ et de la température appliqués. La ligne et le point indiquent la prédiction du modèle théorique.

Simulations de modèle de la formation de filaments métalliques dans un modèle de l’effondrement résistif d’un matériau isolant de Mott. En fonction des paramètres, le modèle montre soit une formation multi-filamenteuse, soit l’épaississement d’un seul filament. Ce comportement permet de comprendre le long temps de relaxation des états de résistance abaissée.

Références

[1] How a dc Electric Field Drives Mott Insulators Out of Equilibrium
P. Diener, E. Janod, B. Corraze, M. Querré, C. Adda, M. Guilloux-Viry, S. Cordier, A. Camjayi, M. Rozenberg, M. P. Besland et L. Cario
Physical Review Letters 121, 016601 (2018)
doi:10.1103/PhysRevLett.121.016601

[2] Relaxation of a Spiking Mott Artificial Neuron
F. Tesler, C. Adda, J. Tranchant, B. Corraze, E. Janod, L. Cario, P. Stoliar, and M. Rozenberg
Physical Review Applied 10, 054001 (2018)
doi:10.1103/PhysRevApplied.10.054001

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Marcelo Rozenberg