La dernière barrière vers l'Ultra

Représentation artistique de l'inducteur de graphène multicouche intercalé (spirale bleue au centre) qui... [+] repose sur l'inductance cinétique. Les images d’arrière-plan montrent ses prédécesseurs qui s’appuient sur l’inductance magnétique, un concept bien inférieur et moins efficace pour la microélectronique.

Dans la course à une technologie en constante amélioration, deux capacités techniques liées font avancer notre monde : la vitesse et la taille. Ceux-ci sont liés, car plus un appareil est petit, moins le signal électrique qui pilote votre appareil doit parcourir de distance. À mesure que nous avons réussi à couper du silicium plus fin, à imprimer des éléments de circuit plus petits et à développer des transistors de plus en plus miniaturisés, les gains en vitesse et en puissance de calcul et la diminution de la taille des appareils sont allés de pair. Mais en même temps que ces progrès se sont produits à pas de géant, un élément fondamental du circuit – l’inducteur – a vu sa conception rester exactement la même. Présent dans tout, des téléviseurs aux ordinateurs portables en passant par les smartphones, les chargeurs sans fil, les radios et les transformateurs, c'est l'un des composants électroniques les plus indispensables qui existent.

Depuis leur invention en 1831 par Michael Faraday, leur conception est restée pratiquement inchangée. Jusqu'au mois dernier, lorsqu'une équipe de l'UC Santa Barbara dirigée par Kaustav Banerjee a démontré un type d'inducteur fondamentalement nouveau. Sans les limites de la conception originale de l’inducteur, il devrait permettre une nouvelle avancée en matière de miniaturisation et de vitesse, ouvrant potentiellement la voie à un monde plus connecté.

L'une des premières applications de la loi d'induction de Faraday a été de noter qu'une bobine de fil, qui créerait un champ magnétique à l'intérieur, pourrait magnétiser un matériau, provoquant une modification de son champ magnétique interne. Ce champ changeant induirait alors un courant dans la bobine de l’autre côté de l’aimant, provoquant la déviation de l’aiguille (à droite). Les inducteurs modernes reposent toujours sur ce même principe.

Le fonctionnement classique des inducteurs est l’une des conceptions les plus simples possibles : une simple bobine de fil. Lorsque vous faites passer un courant dans une boucle ou une bobine de fil, cela crée un champ magnétique passant par le centre. Mais selon la loi d'induction de Faraday, ce champ magnétique changeant induit alors un courant dans la boucle suivante, un courant qui s'oppose à celui que vous essayez de créer. Si vous créez une plus grande densité de bobine ou (encore mieux) placez un noyau de matériau magnétisable à l'intérieur de l'inducteur, vous pouvez augmenter considérablement l'inductance de votre appareil. Il en résulte des inducteurs très efficaces, mais qui doivent également être physiquement assez grands. Malgré tous les progrès que nous avons réalisés, la limitation fondamentale de ce style de conception signifie qu'il existe une limite à la taille d'un inducteur.

Même avec toutes les révolutions que les 19e, 20e et 21e siècles ont apportées à l'électronique,... [+] l'inducteur magnétique conventionnel, dans son concept, reste pratiquement inchangé par rapport aux conceptions originales de Faraday. Crédit image : Shutterstock.

Les applications sont cependant énormes. Avec les condensateurs et les résistances, les inductances sont l’un des trois éléments passifs qui constituent la base de toute électronique. Créez un courant électrique de la bonne amplitude et de la bonne fréquence et vous construirez un moteur à induction. Faites entrer et sortir le noyau magnétique à travers la bobine et vous générerez de l'électricité à partir d'un mouvement mécanique. Envoyez des courants alternatifs et continus dans votre circuit, et l'inductance bloquera le courant alternatif tout en permettant au courant continu de passer. Ils peuvent séparer des signaux de différentes fréquences, et lorsque vous utilisez un condensateur avec une inductance, vous pouvez créer un circuit accordé, d'une importance primordiale dans les récepteurs de télévision et de radio.

La photographie montre les gros grains d'un matériau de stockage d'énergie pratique, le titanate de calcium-cuivre (CCTO), qui est l'un des « supercondensateurs » les plus efficaces et les plus pratiques au monde. La densité de la céramique CCTO représente 94 pour cent de la densité théorique maximale. Les condensateurs et les résistances ont été entièrement miniaturisés, mais les inductances sont à la traîne.