Applications dans l'industrie
Les diodes électroluminescentes – utilisation de l'effet semi-conducteur
La conduction électrique dans les matériaux ne peut être expliquée complètement par la physique classique. Certes le modèle de Drude (gaz d'électrons libres dans la matière) permet de retrouver la loi d'Ohm mais elle ne s'applique qu'aux métaux et ne justifie en rien le fait que beaucoup de matériaux conduisent mal ou ne conduisent pas du tout le courant. Il a fallu attendre la construction de la théorie quantique pour enfin comprendre : lorsque les atomes sont mis les uns à côté des autres dans un cristal, la structure électronique est constituée de bandes d'énergie (comprenant des niveaux discrets très proches en énergie) elle-même séparées par des zones d'énergies interdites appelées gap (voir volet 1 – chap. III ainsi que volet 2 – chap. II – exercice d'application 3). Ainsi lorsqu'une bande est totalement remplie, les électrons ne peuvent plus se déplacer car ils ne trouvent plus d'états vides accessibles : il faut franchir le gap pour cela. On a donc un isolant. Si le gap n'est pas trop grand, il peut tout de même y avoir des électrons dans la bande vide au-dessus du gap, mais la conduction reste tout de même faible : on parle alors de semi-conducteurs.
Ces semi-conducteurs, et particulièrement le silicium, sont très largement utilisés pour la réalisation d'une électronique avec des composants de très petite taille : c'est la microélectronique (voir volet 1 – application dans l'industrie). On exploite alors les propriétés électriques du silicium. Cette microélectronique est absolument partout dans notre vie quotidienne : ordinateur, vidéo, photo, son, téléphone portable, électronique embarquée, ... La liste est longue.
Il existe d'autres applications de ces semi-conducteurs en particulier en optique. Le principe est simple. Lorsqu'un électron passe dans la bande vide (appelée bande de conduction), il laisse un état vide dans la bande initiale (appelée bande de valence). Cet état vide peut être associé à une particule virtuelle appelée trou, qui possède une charge positive. L'électron excité peut donc très bien redescendre pour combler l'état vide et il va alors libérer l'énergie correspondante, égale à la valeur du gap. On peut alors avoir émission d'un photon d'énergie fixée, et donc de longueur d'onde fixée. On parle d'émission de lumière par recombinaison de paires électron-trou. Il est donc possible de convertir un courant électrique en émission de lumière : c'est le principe de base des diodes électroluminescentes, appelées LED pour Light Emiting Diode.
Les diodes électroluminescentes ne sont pas fabriquées à partir de silicium qui, même si c'est le matériau roi en microélectronique, ne permet pas d'obtenir simplement cette émission de lumière, car le gap n'est alors pas direct : la transition ne peut pas se produire à vecteur d'onde constant. C'est pourquoi on utilise l'Arseniure de Gallium GaAs qui lui possède un gap direct (émission à k constant). Comme le gap de GaAs est fixé, sa longueur d'onde est fixée, et donc sa couleur (en l'occurrence GaAs émet dans l'infra-rouge). Pour obtenir des couleurs visibles, on peut remplacer en partie Ga par un autre élément aux mêmes caractéristiques électroniques comme Al (GaAlAs) ou en partie As par P (GaAsP) par exemple. Plus récemment sont apparues des diodes à base de GaN qui permettent d'obtenir de l'émission dans le bleu. Pour obtenir l'effet semi-conducteur souhaité, il est nécessaire de fabriquer le GaAs en film monocristallin, c'est-à-dire que les atomes sont parfaitement ordonnés dans une structure cubique (structure du diamant) sur toute la taille de l'échantillon : on parle d'épitaxie. Ces films sont donc fabriqués dans des unités de très haute technologie similaires à celles produisant les puces électroniques à base de silicium.
Les diodes électroluminescentes sont présentes partout autour de nous puisqu'elles sont utilisées comme voyants sur tous nos appareils électriques ou électroniques. Un de leurs nombreux avantages qui est particulièrement d'actualité est leur très faible consommation d'énergie. Elles se sont donc répandues récemment au secteur de l'éclairage domestique. Vous avez sans doute remarqué que les lampes à incandescence ont pratiquement disparues pour laisser place à l'halogène ou aux diodes électroluminescentes. Enfin, elles sont maintenant utilisées pour les écrans plats offrant ainsi une consommation d'énergie plus avantageuse que les anciennes technologies. Le marché mondial des diodes électroluminescentes est en constante progression. De nouvelles LED basées sur des matériaux organiques ont fait leur apparition (on parle d'OLED pour Organique LED), avec des applications spectaculaires comme les écrans souples.
Les diodes électroluminescentes sont présentes partout autour de nous puisqu'elles sont utilisées comme voyants sur tous nos appareils électriques ou électroniques. Un de leurs nombreux avantages qui est particulièrement d'actualité est leur très faible consommation d'énergie. Elles se sont donc répandues récemment au secteur de l'éclairage domestique. Vous avez sans doute remarqué que les lampes à incandescence ont pratiquement disparues pour laisser place à l'halogène ou aux diodes électroluminescentes. Enfin, elles sont maintenant utilisées pour les écrans plats offrant ainsi une consommation d'énergie plus avantageuse que les anciennes technologies. Le marché mondial des diodes électroluminescentes est en constante progression. De nouvelles LED basées sur des matériaux organiques ont fait leur apparition (on parle d'OLED pour Organique LED), avec des applications spectaculaires comme les écrans souples.
En 1988, le groupe d'Albert FERT au laboratoire mixte CNRS – THOMSON obtient des effets de magnétorésistance géante sur des empilements Fe/Cr/Fe. Pour cela, ils exploitent le spin de l'électron en plus de sa charge électronique. Une nouvelle branche est née qu'on appelle la spintronique, combinant transport électronique et spin. Les applications ne se sont pas faîtes attendre puisque sept ans plus tard les têtes de lecture des disques durs d'ordinateur utilisent ce type de composant magnétorésistif. Cette découverte a valu le prix Nobel de physique en 2007 à A.Fert ainsi qu'à l'allemand P. Grunberg dont le groupe avait obtenu des résultats similaires.
Le principe de base en est le suivant. On réalise deux couches magnétiques séparées par une couche non magnétique appelée espaceur ou spacer en anglais. Les couches magnétiques jouent le rôle de deux aimants découplés par l'espaceur. Cet espaceur peut être constitué d'un métal qui conduit le courant (on parle alors de vanne de spin ou spin valve en anglais) ou bien d'in isolant (on parle alors de jonction tunnel magnétique). Les premiers dispositifs étudiés étaient des vannes de spin où la conduction est de type métallique dans toute la structure. Avec un espaceur isolant, le courant peut passer d'une couche magnétique à l'autre par effet tunnel. Où intervient l'aimantation provenant du spin de l'électron dans ces structures ? En fait, le système total peut être préparé dans deux configurations distinctes : la première où les aimantations sont parallèles, la seconde ou elles sont antiparallèles. On remarque alors que la résistance de la tricouche n'est pas la même pour chaque configuration : en général, on observe une conduction bien meilleure dans la configuration parallèle (résistance plus faible) que dans la configuration antiparallèle (résistance plus forte). Cette anisotropie de la résistance provenant de l'influence de l'aimantation donc du spin sur la conduction peut atteindre plusieurs dizaines de % dans les vannes de spin, et plusieurs centaines de % dans les jonctions tunnel d'où le nom de magnétorésistance géante.
Comment s'explique cette magnétorésistance si grande dans les vannes de spin ? Pendant le processus de conduction dans un métal, les électrons peuvent se déplacer mais ils subissent des collisions pendant leur déplacement. Au cours d'une collision, ils peuvent repartir dans une autre direction, on parle de diffusion. C'est l'origine de la résistance. Si on rajoute le spin, et si le matériau possède une aimantation, il se trouve que cette diffusion n'est pas la même selon que le spin est dans le sens ou en sens opposé de l'aimantation. Ainsi, pour comprendre ce qui se passe, il faut considérer d'une part le spin des électrons qui conduisent le courant et d'autre part la configuration des deux aimantations. Un exemple est donné sur la figure ci-après (attention, on considère dans cet exemple que les spins sont peu diffusés; lorsqu'ils sont dans le sens de l'aimantation, ce n'est pas général, l'inverse peut se produire, tout dépend de la structure électronique). Noter un point très important : pour que ça fonctionne, il ne faut pas que l'espaceur « brouille » l'information, à savoir change le sens du spin lorsque l'électron le traverse avant d'arriver dans l'autre couche magnétique : en effet, au bout d'un certain nombre de collisions, il peut y avoir renversement du spin, on parle alors de longueur de diffusion de spin. Ainsi pour que ce dispositif fonctionne avec efficacité, il est nécessaire que l'épaisseur de la couche non magnétique soit bien inférieure à la longueur de diffusion de spin dans ce matériau. Elles ne sont jamais très grandes, dans la gamme 1-100nm. Elle est en général de l'ordre de quelques nanomètres.
Une application immédiate de ce genre de dispositif est la détection de champ magnétique. En effet, imaginons que l'une des couches magnétiques ait une aimantation fixe très difficile à faire bouger (on parle de couche magnétique dure ou hard layer en anglais) alors que l'autre couche magnétique au contraire est très sensible et tourne donc librement pour s'aligner avec le champ magnétique à détecter (on parle alors de couche douce ou soft layer en anglais). Notons qu'il y a des solutions techniques pour obtenir des couches dures et douces magnétiquement. Ainsi, la configuration magnétique et donc la résistance totale va changer selon l'orientation de la couche douce. Si l'effet magnétorésistif est fort, on dispose alors d'un moyen de détection très sensible et efficace.
Ce moyen est utilisé pour lire les informations contenu dans un disque dur d'ordinateur fait de petits aimants. En orientant le sens des aimants dans un sens ou un autre, on peut effectivement fabriquer des mémoires en encodant par 0 ou 1 chaque sens de l'aimantation. Pour lire cette information, on utilisait jusqu'avant cette découverte des bobines inductives qui détectaient le champ créé par les petits grains aimantés du disque dur. A partir de cette découverte, ces bobines de lecture ont été remplacées par ces détecteurs magnétorésistifs plus compacts et plus sensibles. Vos ordinateurs possèdent ce type de têtes de lecture magnétorésistives.
Pour finir mentionnons que ce n'est pas la seule application possible. Des capteurs très divers peuvent être conçus à partir de ce principe, comme par exemple des capteurs de mouvement : mettez un aimant sur une roue, un capteur magnétorésistif sur le châssis, et à chaque fois que l'aimant passera devant la roue, le capteur le détectera. Enfin, ce système de tricouche est un système à deux états : on peut ainsi encoder ces deux états et en faire des mémoires. C'est un sujet de recherche et développement important dans le monde aujourd'hui, pour deux raisons essentielles : les mémoires obtenues sont non volatiles (si vous coupez le courant, l'information reste, ce qui n'est pas le cas de la mémoire vive de votre ordinateur actuellement) et elles consomment très peu d'énergie.
Le system GPS, initiales Global Positioning System, est bien connu de tous comme moyen de s'orienter en voiture mais aussi en bateau pour les pratiquants, ou encore par les pilotes d'avion. Ce système permet en effet de nous guider sans carte ni boussole. Ce système de positionnement instantané a été mis au point par l'armée américaine dans les années 70-80 puis mis à disposition du grand public à partir du début des années 90.
Comment fonctionne ce système ? Vous possédez un récepteur-émetteur qui communique avec des satellites positionnés dans l'espace autour de la terre. Par échange d'onde électromagnétique entre les satellites et le récepteur, les satellites calculent le temps mis par le signal pour arriver, et par un calcul de triangulation entre les satellites, la position du récepteur est déterminée. En effet, le 1er satellite calcule une distance : l'objet détecté se trouve donc sur une sphère centrée sur le satellite de rayon cette distance. Il en est de même pour le 2nd et le 3ème satellite. L'intersection des trois sphères permet ainsi de positionner le récepteur. Il faut donc au moins 3 satellites pour aboutir à ce positionnement. En fait il en faut un 4ème et nous allons voir pourquoi dans la discussion qui suit.
Le principe est simple, mais en quoi la physique quantique est déterminante dans ce dispositif ? D'une part, l'électronique embarquée dans les satellites sous forme de puces permet évidemment de les alléger, problème crucial dans l'industrie spatiale. Mais ce n'est le seul point. Les signaux électromagnétiques se déplacent à la vitesse de la lumière, donc la moindre erreur ou imprécision sur la mesure du temps engendre des erreurs de positionnement incompatible avec l'objectif fixé. Par exemple, une déviation de la mesure du temps d'une microseconde provoque une erreur de 300m (on rappelle que la vitesse de la lumière est proche de 300 000 km/s). Il faut donc que les horloges embarquées dans les satellites possèdent une stabilité temporelle extraordinaire. Ce système de positionnement est devenu possible grâce à l'avènement des horloges atomiques, qui possèdent une stabilité temporelle typiquement du type Δt/t=10-12. Des horloges de stabilité allant jusque 10-15 sont envisageables actuellement. Mais la stabilité temporelle n'est pas le seul ingrédient nécessaire, il faut également faire les calculs de triangulation non pas dans le cadre de la physique classique mais en relativité restreinte, même si le récepteur et les satellites se déplacent à des vitesses bien inférieures à celles de la lumière. En effet, le temps n'est pas le même dans le repère de chaque satellite et le repère du récepteur. Et ce n'est pas tout ! la gravitation ressentie par le récepteur et les satellites n'est pas la même, ce qui affecte aussi le déroulement du temps. Il faut donc prendre en compte la relativité générale dans le problème de triangulation. Ces corrections relativistes sont donc absolument indispensables afin de positionner correctement le récepteur. Il y a cependant un inconvénient à surmonter, car le récepteur (dans votre voiture par exemple) ne peut pas être doté d'une telle horloge (beaucoup trop coûteuse et volumineuse, bien que des horloges atomiques miniatures (35g) sont apparues sur le marché très récemment). Un 4ème satellite est alors utilisé afin d'obtenir la précision nécessaire au positionnement.
Le principe de fonctionnement de l'horloge atomique est expliqué dans les exercices d'application 4,5 et 6 du chapitre II. Brièvement, l'idée est d'utiliser une transition quantique entre deux états qui se produit à une fréquence précise et qui ne varie pas dans le temps afin de réguler une horloge classique à quartz. L'horloge à quartz pilote un champ électrique (principe du MASER à ammoniac dans les exercices) ou magnétique (horloge atomique à base de Césium) radiofréquence synchronisé avec la cavité dans laquelle se produit l'oscillation des particules passant d'un état excité au niveau fondamental.
Il faut donc au moins 4 satellites pour positionner un objet sur une surface plane. Bien sûr, la terre étant ronde, il en faut beaucoup plus pour couvrir le monde entier. Le système GPS américain est constitué de 24 satellites. Des précisions de positionnement de l'ordre de 15m sont possibles sur le système GPS américain que nous utilisons. Actuellement, l'Europe est en train de se doter d'un tel système avec le programme GALILEO qui sera constitué de 30 satellites (dont 3 en réserve en cas de défaut sur un autre satellite) et qui atteindra des précisons d'un mètre. Les russes possèdent leur propre système et un programme chinois est en cours.
Pour en savoir plus sur l'IRM :
La résonance Magnétique Nucléaire consiste à faire précesser l'aimantation liée au spin du proton des atomes d'hydrogène. Le principe est décrit dans l'exercice d'application 1 du chapitre III de ce cours. Il s'agit d'appliquer tout d'abord un champ statique qui permet d'obtenir un système à deux niveaux pour les protons, puis à appliquer un champ oscillant dynamique plus petit et perpendiculaire au champ statique. Un tel procédé permet de faire précesser l'aimantation à la fréquence dite de Larmor qui bascule en tournant de la direction du champ à sa direction opposée. Ce mouvement de précession est entretenu lorsque le champ magnétique dynamique appliqué oscille à la fréquence de Larmor, d'où le terme de résonance.
En quoi ce mécanisme de précession peut-il être utile dans la pratique ? On remarque tout d'abord qu'il s'applique au proton de l'atome d'hydrogène. Sachant que le corps humain est constitué d'environ 70% d'eau, notre corps contient donc énormément d'hydrogène. On a donc cherché naturellement à exploiter la RMN dans le but d'obtenir des informations sur le corps humain. Comment ? Il faut en fait aller plus loin que le cadre de ce cours. En physique quantique, nous avons traité des systèmes isolés mais les protons du corps humain ne le sont pas, ils sont influencés par leur environnement immédiat. La température, non introduite dans le cadre de ce cours (il faut alors aborder la physique statistique) joue également un rôle. Quelle est la conséquence sur le mécanisme de précession ? Nous avons vu à la fin de l'exercice que pour un système isolé, si on coupe le champ dynamique (toujours en présence du champ statique), on peut par exemple inverser la population des spins des protons vers l'état de plus haute énergie, correspondant à une aimantation nucléaire en sens opposé au champ statique. Sans interaction supplémentaire, le système reste alors dans cet état, qui soit dit en passant n'est pas le minimum mais le maximum d'énergie. C'est là que l'environnement agit : l'aimantation va alors évoluer afin d'atteindre le minimum d'énergie, et va donc restituer l'énergie sous forme d'onde qui sont ici radiofréquence. Il « suffit » de détecter ces ondes pour obtenir de l'information sur le milieu. De plus, ce mécanisme prend un certain temps, qui dépend évidemment de l'environnement. La variation de ce temps de relaxation donne donc des informations sur l'environnement donc les tissus : c'est le principe de base de l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) utilisé en médecine (Remarquez que le terme nucléaire a disparu, car il fait peur !).
Si le principe peut somme toute paraître assez simple, il faut trouver un moyen d'obtenir un renseignement local et ça se complique. En effet, on ne peut pas appliquer un champ magnétique en un point, alors qu'on souhaite exciter les spins des protons dans une partie du cerveau par exemple et pas à côté. Ce problème sera résolu en appliquant des gradients de champ magnétique localisés dans l'espace pour la contribution oscillante (le champ statique restant uniforme puisque c'est lui qui fixe la fréquence de précession de Larmor). Grâce à des algorithmes mathématiques il est alors possible d'obtenir une cartographie spatiale des ondes radiofréquences émises par le tissu examiné.
Ce type d'imagerie permet d'obtenir un contraste en fonction de la quantité de protons (d'hydrogène) qui varie selon les tissus (vaisseau sanguin, tendon, muscle, organes). L'IRM est plus qu'une amélioration des techniques d'imagerie connues comme la radiographie X : elle permet de voir les tissus mous, alors que la radiographie X donne surtout des informations sur les os (pour simplifier). La technologie actuelle permet d'obtenir des clichés avec un contraste tout à fait remarquable comme le montre l'image ci-après.
La technique IRM est maintenant largement utilisée pour détecter des anomalies, comme des tumeurs cancéreuses par exemple. Des progrès substantiels ont été récemment obtenus en injectant des substances marqueurs, permettant ainsi une imagerie fonctionnelle des organes en fonctionnement, les vaisseaux sanguins par exemple. Citons ainsi les travaux remarquables obtenus sur le comportement du cerveau humain soumis à des sollicitations, comme la réaction d'un bébé à certains sons (voix de la maman) ou certaines images (couleurs, visages). Ce domaine est en plein essor et nul doute que ces techniques permettront d'approfondir notre connaissance sur le fonctionnement très complexe du cerveau humain.
