Technologies pour l'information et la communication


Spintronique, photonique, électronique moléculaire… autant de technologies à l’étude pour miniaturiser davantage les transistors.

Publié le 1 juillet 2012

Les technologies pour l’information et la communication recourent comme matériau de base aux nanocomposants. Ceux-ci sont fabriqués de deux manières.
*         La voie descendante, ou top-down, permet de réduire le plus possible les dimensions du composant que l’on veut fabriquer. C’est la voie suivie par l’électronique depuis quarante ans. L’exemple le plus remarquable en est le circuit intégré sur puce.
*         La voie ascendante, ou bottom-up, permet de construire des molécules ou des assemblages atomiques complexes, intégrés ensuite dans de plus grands systèmes. Elle vise à fabriquer plus petit, moins cher et avec une qualité accrue. C’est l’une des voies d’avenir à plus ou moins long terme pour dépasser les limitations de la loi de Moore.

L’ÉVOLUTION DE LA MICROÉLECTRONIQUE
Le silicium, matériau de base de toute l’industrie électronique, est un élément abondant, puisqu’il est extrait du sable par purification (94 % de la croûte terrestre est composée de silice !). Il est cristallisé sous la forme de barreaux de 20 à 30 cm de diamètre, lesquels seront découpés en tranches de moins d’un millimètre d’épaisseur. Sur ces tranches sont fabriquées en même temps des centaines de puces, par photolithographie. Celle-ci consiste à reproduire, dans une résine photosensible, le dessin des circuits à réaliser, à l’image de pochoirs que l’on pourrait superposer pour obtenir des circuits de plus en plus complexes.

 Observation des motifs gravés grâce à un microscope optique. © P.Stroppa/CEA
Ces motifs compliqués sont générés en une seule exposition. Les détails sont imprimés sur le substrat quand la lumière passe à travers les ouvertures d’un masque, définissant d’une manière précise et reproductible des millions de transistors. Les traits les plus fins obtenus aujourd’hui industriellement ont une épaisseur de 45 nanomètres, ce qui permet de disposer et de connecter des millions de composants de base – les transistors – par circuit et de multiplier ainsi les fonctionnalités. Cette technique de photolithographie est limitée par les phénomènes de diffraction et de longueur d’onde du faisceau de lumière utilisé. Des améliorations sont en cours de test pour augmenter la précision. Par exemple, la longueur d’onde des lumières utilisées à travers les pochoirs a été diminuée pour descendre du bleu au bleu profond puis à l’ultraviolet.

Mais de nouvelles lentilles doivent être mises au point pour focaliser cette lumière de plus en plus énergétique. La résolution spatiale a été doublée en tirant parti du caractère ondulatoire de la lumière et du principe d’interférence. Le renforcement sélectif des ondes lumineuses mène à une exposition accrue de la résine photosensible, tandis que leur annulation laisse des structures dans l’obscurité. On peut également graver des motifs sur les puces au moyen de faisceaux d’électrons, mais les dessins doivent alors être tracés les uns après les autres. La lithographie à faisceau d’électrons (e-beam) permet d’atteindre une résolution nanométrique, car la longueur d’onde des électrons est de l’ordre de quelques nanomètres. C’est idéal pour produire le pochoir initial qui sera réutilisé des milliers de fois en lithographie optique, ou pour la fabrication de circuits expérimentaux en laboratoire… mais pas pour la production en masse de puces.
La photolithographie atteindra ses limites techniques lorsque les détails les plus fins mesureront de 10 à 20 nm, ce qui devrait arriver à l’horizon de 2015.  À cette échelle, des effets dus à la physique quantique se manifesteront et perturberont le fonctionnement des circuits ; par exemple, des électrons pourront sauter d’un « fil » à l’autre par effet tunnel (voir la page “La physique quantique”). Outre les limites physiques, les investissements nécessaires pour construire des usines capables de graver des circuits aussi fins deviendront prohibitifs (estimés aujourd’hui à plus de 5 milliards d’euros). La voie top-down, qui aura poussé jusqu’à l’extrême la miniaturisation du transistor MOS (Metal oxide semiconductor), devrait atteindre ses limites vers 2020.
Un changement de technologie devrait alors s’imposer : ce sera le début de la véritable nanoélectronique, qui prendra en compte les propriétés de la matière à cette échelle. Les composants de base ne seront plus les mêmes.


COMMENT REPOUSSER LES LIMITES DE LA LOI DE MOORE ?
Plusieurs options sont possibles pour prolonger la voie de la miniaturisation, dont voici deux exemples.
La spintronique réalise le mariage entre l’électronique et le magnétisme. Alors que l’électronique actuelle est entièrement basée sur la manipulation de la charge électrique portée par les électrons, la spintronique utilise leur spin. Les électrons ont trois particularités physiques : leur masse, leur charge et leur spin. Pour cette dernière caractéristique intrinsèque, tout se passe comme si le moment magnétique de l’électron s’apparentait au sens de rotation interne de celui-ci autour d’un axe fixe imaginaire. Pour les électrons, le spin ne peut prendre que deux valeurs : +1/2 spin dit « up » ou -1/2 spin dit « down », correspondant ainsi au fait qu’il ne peut tourner que dans un sens ou dans l’autre. On peut utiliser cette propriété pour obtenir des fonctionnalités nouvelles, par exemple pour coder, traiter ou transmettre une information.

Focus sur Minatec

Pôle d’excellence européen en micro et nanotechnologies.

Autour de l’Institut Léti* du CEA est organisé un campus regroupant institutions universitaires et entreprises privées. Officiellement inauguré en juin 2006 et situé à Grenoble, Minatec met à leur disposition des salles blanches et une plateforme de nanocaractérisation unique en Europe, pour un investissement d’un milliard d’euros sur dix ans.
* Laboratoire d’électronique et des technologies de l’information.

Une grande variété de dispositifs innovants utilisant le spin des électrons peut être réalisée. Ces dispositifs combinent des matériaux magnétiques qui servent de polariseur ou analyseur en spin et des matériaux conducteurs, isolants ou semiconducteurs.
Des dispositifs spintroniques sont déjà utilisés dans les disques durs d’ordinateur. Il s’agit de capteurs dont la résistance électrique varie en fonction du champ magnétique appliqué. Ils permettent de relire l’information magnétique enregistrée sur le disque magnétique. La spintronique permet d’envisager de pousser la capacité de stockage sur les disques durs au-delà du térabit (1015 bits) par pouce carré, c’est-à-dire 155 milliards de bits/cm2.
D’autres applications industrielles sont en train de voir le jour. Ainsi, des mémoires magnétiques peuvent être réalisées sans aucune pièce mobile (contrairement aux disques durs). Ces mémoires sont formées d’un réseau de piliers magnétiques de dimension nanométrique, eux-mêmes constitués de couches magnétiques dont le sens de l’aimantation (+1/2 ou -1/2) détermine l’état du bit (respectivement 0 ou 1). Non seulement ces mémoires vives ne disparaissent pas en cas de coupure d’alimentation (non-volatilité), mais elles sont très rapides (écriture et lecture ne durent que quelques nanosecondes) et sont insensibles aux rayonnements ionisants. Elles permettent de concevoir des ordinateurs que l’on pourrait éteindre et allumer instantanément en gardant toute l’information à l’écran. D’autres applications sont en cours de développement pour la réalisation de composants radiofréquence pour les télécommunications et les réseaux sans fil.
La photonique utilise la lumière pour coder l’information. Tous les systèmes actuels (une puce d’ordinateur, un circuit intégré, un transistor) sont basés sur le transport, le confinement et les propriétés physiques de l’électron. Mais si, pour aller plus vite, il était remplacé par le photon ? Celui-ci, outre qu’il se déplace à la vitesse de la lumière (300 000 km/s), provoque peu de dissipation de chaleur lors de son déplacement.
Mais, avant d’employer les photons comme moyen de codage d’information dans une puce, il faut mettre au point tous les composants de la chaîne, de l’émetteur au récepteur, en passant par les guides et les modulateurs. Le silicium, vedette de la microélectronique, est une piètre source de lumière… à l’état macroscopique. La solution est venue de la nanostructuration : soumis aux lois étranges du monde quantique, un cristal de silicium, réduit à une dizaine de nanomètres, voit ses performances d’émission fortement modifiées ! Pour guider ces photons, pas question d’utiliser des fibres optiques ou des miroirs aux dimensions millimétriques, mais un dispositif bien plus efficace : le cristal photonique. Constitués en perçant de minuscules trous de manière périodique dans un semi-conducteur, ces cristaux réfléchissent et dirigent la lumière. Ils peuvent aussi la filtrer, en agissant sur des longueurs d’onde particulières et permettent de la confiner dans un volume extrêmement faible (quelques centaines de nm). La modulation, le multiplexage et le décodage des signaux sont les trois domaines où de nombreux progrès sont en cours pour aller vers l’ordinateur à photons. C’est cette possibilité de multiplexage qui, en permettant les calculs parallèles, représente le « plus » de l’ordinateur photonique.


Des mémoires vives persistantes et rapides grâce à la spintronique.


Banc de mesures de composants spintroniques. © Artechnique/CEA

 
Le photon, qui se déplace à la vitesse
de la lumière, pourrait remplacer l’électron
pour coder les informations dans une puce.

Graphène et nanotube de carbone
En chimie et en science des matériaux, l'allotropie est la propriété de certains corps simples d'exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires. Par exemple le carbone, qui apparaît sous une forme non structurée : la mine de crayon, ou structurée: le diamant. La mine de crayon est composée d’un empilement de feuillets monoatomiques d’atomes de carbone disposés en hexagones. Si l’on isole un seul feuillet de la structure, on obtient du graphène, qui présente des propriétés de transport électronique remarquables. Si l’on enroule ce feuillet sur lui-même, il peut prendre la forme d’un nanotube. Le nanotube a des propriétés mécaniques et électriques surprenantes qui promettent des applications nombreuses et une industrialisation dans un avenir proche :
- Le nanotube est 100 fois plus résistant et 6 fois plus léger que l’acier. Il peut donc être utilisé pour fabriquer des matériaux composites hautes performances et remplacer les traditionnelles fibres de carbone: raquettes de tennis ou clubs de golf sont des exemples d’applications grand public.
- En fonction de l’angle d’enroulement du feuillet de graphite, le nanotube est soit un excellent conducteur d’électricité, soit un semi-conducteur. Les conducteurs pourront être utilisés dans la fabrication de nanofils électriques, ou comme nano-électrodes dans les écrans plats de télévision ou d’ordinateur. Un nanotube semi-conducteur et un conducteur assemblés pourront être utilisés comme éléments de base pour fabriquer des composants électroniques nanométriques.


Reportage
Plateforme de nanocaractérisation
                       
LA DÉMARCHE BOTTOM-UP À PARTIR DE NANOCOMPOSANTS
Cette nouvelle approche est envisageable pour surmonter les obstacles de la miniaturisation. Elle fait appel à des connaissances fonda­mentales de physique et de chimie et permet de concevoir les composants entièrement nouveaux de l’électronique moléculaire.
Si la fabrication atome par atome de nanocomposants est possible, elle est inenvisageable industriellement sans la maîtrise de procédés d’auto-assemblage de la matière, car elle prendrait un temps infini. À défaut de construire un circuit et ses nanocomposants, ce qui serait trop long et trop cher, les chercheurs envisagent la conception d’entités moléculaires dotées de fonctions électroniques capables de s’organiser seules. Pour les fabriquer, ils disposent de quatre briques de base : les molécules de synthèse, faciles à obtenir, les biomolécules comme l’ADN, les nanoparticules métalliques ou semi-conductrices et les nanotubes de carbone. Mais la voie de l’auto-assemblage est difficile : il faut réussir à contrôler le positionnement des briques.
Des charges positives et négatives s’attirent : si l’on ajoute des molécules chargées négativement à la surface d’un wafer, elles vont attirer les molécules chargées positivement greffées à la surface de nanotubes, créant ainsi des nanocomposants. Reste à résoudre le problème des jonctions entre ces composants et le reste du circuit ; faute de quoi, l’électronique moléculaire en restera là, malgré des perspectives très séduisantes.

 
Lorsque l’on applique une tension déterminée sur la grille, un électron peut entrer dans « l’île de Coulomb » tandis qu’un autre en sort. Il s’établit dans le transistor un courant dont l’intensité dépend du nombre d’électrons présents dans l’île. © Yuvanoé/CEA

En 1974, la première diode moléculaire a été réalisée sur une couche de molécules individuelles. Non plus faite en silicium, elle a été obtenue par la mise en contact de deux morceaux de semi-conducteurs : l’un des matériaux comporte de nombreux électrons, alors que le deuxième en est extrêmement pauvre. Des molécules qui présentent cette même asymétrie ont ensuite été conçues ; puis un transistor dans lequel le canal était formé d’une de ces molécules.
Ce dispositif a donné des preuves flagrantes du comportement quantique des électrons.
On peut aussi concevoir un transistor à un seul électron. Le principe consiste à ajouter un espace en matériau semi-conducteur entre la source et le drain du transistor, où seul un nombre déterminé d’électrons peut s’accumuler. Quand une tension électrique est appliquée entre la source et le drain, l’espace se remplit, puis le courant ne passe plus (phénomène de blocage de Coulomb). Lorsque l’on applique une tension sur la grille du transistor, un nouvel électron peut entrer, tandis qu’un autre sort de cet espace. Ainsi, en modifiant la tension de grille, on réalise de l’électronique à un seul électron.

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La mécanique quantique

Publié le 15 mai 2019

Dernière mise à jour : 03 juin 2022
Qu'est-ce que la mécanique quantique ? Pourquoi est-elle utilisée ? A quoi sert-elle ? Où la retrouve-t-on dans notre quotidien ? Petite introduction au monde quantique.

QU’EST-CE QUE LA MÉCANIQUE QUANTIQUE ?

A l’aube du XXe siècle, la naissance de la physique quantique révolutionne notre conception du monde : les physiciens réalisent que la physique classique, qui décrit parfaitement notre environnement quotidien macroscopique, devient inopérante à l’échelle microscopique des atomes et des particules. En effet, les atomes et les particules élémentaires de la matière, n’évoluent pas comme un système classique, où les quantités d’énergie échangées peuvent prendre n'importe quelle valeur. Pour un système quantique, l’énergie s’échange par valeurs discrètes ou « quanta ».



Par ailleurs, la physique classique décrit différemment un corpuscule (atome, particule) et une onde (lumière, électricité) tandis que la mécanique quantique confond les deux descriptions : un photon, un électron, un atome ou même une molécule sont à la fois onde et corpuscule.
    

Si, en physique classique, l’état d’un système est parfaitement défini par la position et la vitesse de l'ensemble de ses composants – il ne peut être alors que dans un seul état à un moment et à un endroit donné, il n’en va pas de même en physique quantique. Un système quantique, tel qu'une simple onde-corpuscule, peut se trouver dans une superposition cohérente d'états, qui traduit la potentialité de tous ses états possibles. Sa présence à un endroit donné, son énergie deviennent alors probabilistes : ainsi, un atome peut être à la fois dans son état fondamental stable et dans un état excité (c’est-à-dire possédant une énergie supérieure, acquise par exemple par l'absorption d'un photon). Un photon peut être à un endroit et à un autre en même temps. On ne peut être certain qu'il est en un seul lieu que si l'on effectue une mesure. Le processus de mesure impose alors à l’onde-corpuscule un état défini.
De ces découvertes, qui forment la première révolution quantique, découlent un certain nombre d’applications encore utilisées aujourd’hui : les lasers, les circuits intégrés ou encore les transistors, à la base du fonctionnement des appareils électroniques notamment.

Le chat de Schrödinger
Le physicien Schrödinger a utilisé une image devenue célèbre pour mettre en avant le côté paradoxal d’objets dont on ne peut pas connaître l’état à tout moment. Il a imaginé un chat « quantique », enfermé dans une boîte sans fenêtre en présence d’un poison déclenché par un processus quantique. Tant que la boîte n’est pas ouverte, on ne sait pas si le processus quantique a déclenché le mécanisme, le chat est à la fois mort et vivant avec des probabilités dépendant du processus. Bien sûr, quand on ouvre la boîte le chat est soit mort, soit vivant. En regardant à l’intérieur, on fait une mesure qui nous permet de connaître l’état quantique du système.


À QUOI SERT LA MÉCANIQUE QUANTIQUE
AUJOURD’HUI ?
Quelques effets sont emblématiques de la mécanique quantique :
*         L’effet laser est obtenu dans un système où les électrons sont majoritairement dans un même état excité et se désexcitent tous ensemble en émettant cette lumière intense. Cette transition des électrons d'un niveau d'énergie à un autre est un processus quantique.
*         La supraconductivité est la disparition de toute résistance électrique dans un conducteur. Elle apparaît lorsque les électrons, portant une même charge électrique, peuvent s’apparier et se condenser dans un unique état quantique.
*         L’effet tunnel permet à des électrons de franchir une « barrière » de potentiel ce qui est strictement interdit en physique classique.
*         Le spin est une propriété quantique sans équivalent classique, à l'origine des propriétés magnétiques de la matière.


Depuis le début des années 1980, la physique quantique a pris un nouveau tournant : c’est la deuxième révolution quantique, qui se poursuit encore aujourd’hui. En 1982, le physicien Alain Aspect et son équipe parviennent à démontrer la réalité du principe d’intrication quantique, concept fondamental de la physique quantique. Par ce phénomène, proposé dans le courant des années 1930 par Erwin Schrödinger et Albert Einstein, les particules constituant un système sont liés, et le restent quelle que soit la distance qui les sépare. Ainsi, pour une paire de photons, une mesure faite sur l’un modifiera instantanément l'état du second, même s'ils sont séparés d'une longue distance (le record de distance pour l'observation de l'intrication de deux photons a été atteint en 2020 dans le domaine de la cryptographie quantique : des physiciens chinois ont pu échanger un message secret sur 1 120 km). Cette propriété pourrait avoir des applications importantes dans le domaine de l’information quantique : cryptographie, téléportation de l'information ou encore l’ordinateur quantique.
    

Et le champ d’application de la physique quantique va bien au-delà : le formalisme de la mécanique quantique est utilisé par les chercheurs en nanosciences (chimie, optique, électronique, magnétisme, physique de l’état condensé) et par les physiciens des lois fondamentales de l’Univers (particules, noyau atomique, cosmologie).
    


Trois exemples d'application de la mécanique quantique
*         Les diodes électroluminescentes (DEL) : la physique quantique permet de comprendre comment les diodes électroluminescentes (DEL ou LED en anglais) émettent de la lumière et pourquoi chaque DEL possède une couleur spécifique.
*         Le microscope à effet tunnel : l’effet tunnel est utilisé dans le microscope du même nom. Dans un tel microscope, une pointe métallique est placée très proche d'une surface conductrice avec une différence de potentiel de quelques volts. Bien que sans contact électrique direct entre pointe et surface, un courant tunnel s'établit. Lors d'un balayage de la surface par la pointe à courant constant, l'enregistrement de la distance pointe-surface donne une image de la surface à la résolution atomique.
*         Les orbitales atomiques :  les électrons entourent les noyaux des atomes. La mécanique quantique décrit le nuage électronique sous la forme d'orbitales dont la forme reflète la probabilité de présence de chaque électron dans l'espace. Cette description sous forme d'orbitales permet de décrire et comprendre la façon dont les atomes se rassemblent pour constituer molécules ou solides.



ET DEMAIN, LA MÉCANIQUE QUANTIQUE ?
Les théories décrivant trois des quatre interactions fondamentales de l’Univers sont développées dans le cadre de la mécanique quantique :
*         l’interaction forte qui lie les composants du noyau entre eux,
*         l’interaction faible à l’origine de certaines formes de radioactivité,
*         l’électromagnétisme qui régit les phénomènes lumineux, électriques et magnétiques.
*        
La quatrième interaction, la gravitation, est expliquée par la relativité. Jusqu’à présent, dans les domaines d’énergie et d’espace que l’homme a pu explorer, il n’a pas été nécessaire de « quantifier » la gravitation. De nombreux physiciens cherchent cependant à unifier ces deux théories pour embrasser les lois de l’Univers de manière plus simple et complète.

Mécanique quantique et relativité
En mécanique quantique, temps et espace sont différenciés. Dans la théorie de la relativité, le temps et l’espace forment une seule entité : l’espace-temps, et matière et énergie sont liées. La mécanique quantique relativiste et la notion de champ sont à la base de la "théorie des champs" qui permet de comprendre les phénomènes de physique des hautes énergies au sein des accélérateurs de particules, ou encore les phénomènes de physique de la matière condensée : supraconductivité, effet Hall quantique, ou la superfluidité.

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Une « synapse » spintronique pour un futur circuit neuromorphique


Des chercheurs du CEA-Irig ont développé un nouveau composant magnétique permettant de mimer une synapse. Une première étape vers la réalisation d'un circuit neuromorphique spintronique, rapide et économe en énergie !

Publié le 31 janvier 2022


Un « memristor » (memory-resistor) est un composant électronique possédant une résistance variable, dont la valeur dépend de l'histoire du courant qui le traverse. Cette résistance augmente ou diminue suivant le sens du courant.

De tels composants intéressent l'intelligence artificielle car ils permettent de mimer le fonctionnement d'une synapse – la fonction d'une synapse étant de renforcer ou diminuer la connexion entre deux neurones, suivant le sens du courant qui la traverse (potentiel inhibiteur ou excitateur).
Les propriétés des memristors permettent en effet de réaliser des fonctions analogiques d'addition et de multiplication utilisées intensivement dans les circuits neuromorphiques. Cette approche analogique, fondée sur des lois bien connues en électricité comme la loi d'Ohm, offre l'avantage de réduire considérablement la consommation électrique des circuits par rapport à l'intelligence artificielle actuelle qui fonctionne en digital.
Des chercheurs du CEA-Irig se sont donc attachés à développer un composant spintronique de type memristor, dont l'état varie de façon monotone avec les signaux qu'il reçoit, positivement ou négativement. Ce memristor s'inspire des jonctions tunnel présentes dans les mémoires magnétiques MRAM (Magnetic Random Access Memory).
Les jonctions tunnels sont constituées de deux couches magnétiques séparées par une fine couche isolante que le courant électrique traverse par effet tunnel. La résistance de la jonction dépend de l'orientation relative des aimantations des deux couches magnétiques. L'une d'elles a une aimantation fixe (couche de référence) alors que l'aimantation de l'autre couche (dite de stockage) peut changer d'orientation sous l'effet d'un champ ou d'un courant. Dans les MRAM, l'information est codée de façon binaire de sorte que ces dispositifs sont conçus avec seulement deux configurations magnétiques stables, parallèle (représentant un « 0 » logique) et antiparallèle ( « 1 »).Il en va tout autrement pour mimer une synapse. Dans le memristor imaginé et réalisé par les chercheurs, l'aimantation de la couche de stockage peut prendre toutes les orientations possibles dans le plan des couches, ce qui autorise un continuum de valeurs possibles de la résistance. De plus, ces valeurs peuvent être sélectionnées par le sens du courant électrique traversant la jonction, de la même manière qu'un potentiel excitateur ou inhibiteur affecte l'état d'une connexion synaptique.

Une première étape a ainsi été franchie avec succès par les chercheurs de l'Irig qui espèrent développer un circuit neuromorphique rapide et économe en énergie.Ces travaux ont été conduits dans le cadre d'une ERC advanced grant (MAGICAL).

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Les ondes électromagnétiques dans le domaine de la communication

Publié le 31 mai 2018

Dernière mise à jour : août 2022

Qu’est-ce qu’une onde électromagnétique ? Quelles sont les ondes qui nous permettent de communiquer quasi instantanément d’un bout à l’autre du monde ? En quoi les ondes radio jouent-elles un rôle fondamental dans les télécommunications ? Comment fonctionne un système mobile sans fil ? Quelles sont les différentes générations de réseaux mobiles ? Quels sont les enjeux et promesses de la 5G ? L’essentiel sur… les ondes électromagnétiques utilisées dans le domaine de la communication.

QU’EST-CE QU’UNE ONDE ÉLECTROMAGNÉTIQUE ?
Une onde électromagnétique est une catégorie d’ondes qui peut se déplacer dans un milieu de propagation comme le vide ou l’air, avec une vitesse avoisinant celle de la lumière, soit près de 300 000 kilomètres par seconde. Ces ondes sont par exemple produites par des charges électriques en mouvement. Elles correspondent aux oscillations couplées d’un champ électrique et d’un champ magnétique, dont les amplitudes varient de façon sinusoïdale au cours du temps.


Les ondes électromagnétiques transportent de l’énergie mais elles sont aussi capables de transporter de l’information. C’est pourquoi elles sont utilisées dans le domaine de la communication.

Vidéo
Qu'est-ce qu'une onde électromagnétique ?
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Concrètement, les ondes électromagnétiques servent à faire fonctionner les smartphones, les postes de radio, ou encore sont utilisées pour faire des radiographies du corps humain.  De même, la lumière visible est une onde électromagnétique ; elle nous permet de voir les couleurs.
Ces différentes ondes électromagnétiques se différencient et sont caractérisées par leur fréquence, c’est-à-dire le nombre d’oscillations en une seconde. La fréquence est exprimée en Hertz. Une autre caractéristique des ondes électromagnétiques est la longueur d’onde, c’est-à-dire la distance qui sépare deux oscillations de l'onde. Elle est inversement proportionnelle à la fréquence.
Les ondes électromagnétiques sont classées en fonction de leur fréquence dans ce que l’on appelle le « spectre électromagnétique ».


Dans l’ordre des longueurs d’ondes croissantes, on trouve :

Longueur d’onde (mètre)    Fréquence (Hertz)    Catégorie d'onde électromagnétique
< 10 picomètres (ie 1 000 milliards de fois plus petit qu’un mètre)    30 x 1018 Hz    Les rayons gamma, produits par des transitions nucléaires
10 picomètres – 10 nanomètres (ie 1 000 millions de fois plus petit qu’un mètre)    30 x 1018 – 30x1015 Hz    Les rayons X, qui permettent de faire des radiographies du corps humain
10 nanomètres – 400 nanomètres    30x1015 - 750x1012 Hz    Les rayons ultra-violet (UV), qui proviennent majoritairement du Soleil et sont responsables par exemple du bronzage ou des coups de soleil.
400 – 800 nanomètres    750x1012 – 375x1012 Hz    La lumière visible avec toutes les couleurs de l’arc-en-ciel.
800 nanomètres – 0,1 millimètre    375x1012 – 3x1012 Hz    Les rayons infrarouges, qui captent la chaleur des objets, de l’environnement.
1 millimètre - 30 kilomètres    300x109Hz - 10Hz    Les ondes radio, responsables des moyens de télécommunications qu’on connaît aujourd’hui : les radars et satellites, le réseau Wi-Fi, le téléphone portable, la télévision hertzienne et la radio.

L’HISTOIRE DES SYSTÈMES ET RÉSEAUX DE TÉLÉCOMMUNICATION
L’histoire des télécommunications commence en 1794, quand Claude Chappe met au point le télégraphe optique. Deux tours d’observations éloignées de plusieurs dizaines de kilomètres s’échangent des messages codés par les différentes positions d’un bras articulé placé en haut de la tour.
Il faudra attendre la fin du 19e siècle et la découverte de l’existence des ondes électromagnétiques par le physicien allemand Heinrich Hertz pour que se développe la transmission d’informations sans fil.

Vidéo
L'histoire des systèmes et réseaux de télécommunications
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Depuis vingt ans, nous sommes entrés dans un monde où tout devient sans fil. Après la radio et la télévision, le téléphone a d’abord lâché son fil à la maison pour devenir mobile, nos ordinateurs communiquent aujourd’hui via le wi-fi. Depuis début 2018, le monde compte plus de 4 milliards d’utilisateurs d’Internet et plusieurs millions de mails sont envoyés chaque seconde. Et ce n’est pas fini ! L’Internet des Objets se développe, et part à l’assaut de nouveaux secteurs comme la domotique, la santé connectée, l’usine du futur et les véhicules autonomes.
Le réseau 5G qui est disponible en France depuis fin 2020 connectera toujours plus d’objets sans fil, avec un meilleur débit et plus de rapidité. A la clé : une plus grande fiabilité de transmission.

LE PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA RADIO
Les ondes radio, qui servent à transmettre des informations, ont des fréquences comprises entre quelques kilos Hertz et 300 giga Hertz, c’est-à-dire 300 milliards d’oscillations par seconde.
Parmi les ondes qui passent par les postes de radio, on trouve :
*         La radio AM avec une fréquence de 106Hz et une portée de plusieurs centaines de kilomètres, autrefois très utilisée.
*         La radio FM avec une fréquence de 108Hz et une portée de quelques dizaines de kilomètres. La radio FM est la plus écoutée aujourd’hui.
Les antennes permettent de rayonner les ondes radio se propageant dans l’air. Pour diffuser une émission de radio par exemple, la voix de l'animateur est transformée en signal électrique par le micro. Ce signal électrique oscille au même rythme que la voix, on dit qu'ils ont la même fréquence. Cependant, cette fréquence est beaucoup trop basse pour que le signal soit transmis sous forme d'onde électromagnétique. Il est donc nécessaire de fabriquer un signal électrique alternatif à très haute fréquence transmis à l’antenne pour qu'elle émette d'abord une onde porteuse. Pour transporter la voix par exemple, il faut alors mélanger notre signal électrique de basse fréquence, celui qui correspond à la voix de l’animateur, au signal électrique de haute fréquence.
Il existe par exemple deux façons de faire :
*         Pour la radio AM, on change l’amplitude, c’est à dire la hauteur des oscillations du signal électrique en fonction du signal de la voix. L’onde porteuse est modulée en amplitude.
*         Pour la radio FM, on change la fréquence, c’est à dire le nombre d’oscillations par seconde du signal électrique en fonction du signal de la voix. L’onde porteuse est modulée en fréquence. La modulation en fréquence est beaucoup plus fiable ; il y aura moins de grésillements qu'avec la modulation d'amplitude.
Dans les deux cas, l’antenne émet une onde électromagnétique modulée qui se propage jusqu'à une antenne réceptrice, comme celle intégrée dans les postes de radio. Ensuite, elle fait le travail inverse de l'antenne émettrice : elle transforme l'onde électromagnétique en signal électrique, ce dernier est démodulé, soit en amplitude soit en fréquence, puis amplifié et transformé en son par les enceintes.


COMMENT FONCTIONNE UN SYSTÈME MOBILE
SANS FIL ?
Pour que nos fichiers ou SMS puissent parvenir jusqu’à leur destinataire, l’information à envoyer est d’abord codée en langage binaire (combinaisons de zéro et un) puis présentée en entrée de la carte électronique de l’émetteur du système de communication sans fil, par exemple un téléphone.


Ensuite, le signal numérique correspondant au message binaire est transformé en signal analogique à haute fréquence (fréquences radio). Ce dernier est envoyé à une antenne, qui se met alors à rayonner une onde électromagnétique se propageant dans l’air pour atteindre l’antenne relais la plus proche. L'onde est ensuite encore transformée en signal électrique, pour être transmise via des câbles ou des fibres optiques sur de très grandes distances, jusqu’à enfin atteindre l’antenne relais la plus proche du destinataire. Le processus de réception est le même que celui d’envoi, en inversé. La carte électronique du système de communication du récepteur décode le langage binaire pour afficher le SMS, l’image ou bien la vidéo.
    

LES DIFFÉRENTES GÉNÉRATIONS DE RÉSEAUX MOBILES : DE LA 2G À LA 5G
La fin des années 1990 sonne le début de l’ère des téléphones portables, le réseau dit « 2G » (ou GSM) est lancé. Il permet de transmettre la voix mais aussi des données numériques comme les SMS ou des messages multimédias, avec du contenu léger (MMS). Les réseaux GPRS et EDGE offrent un accès à Internet mais avec un débit très bas.
La 3G se commercialise au début des années 2000. Le débit est alors plus rapide que pour la 2G et les téléphones peuvent alors accéder à Internet beaucoup plus rapidement, même en mouvement.
En 2012, la 4G fait son arrivée en France, le débit maximal est multiplié par 100, ce qui permet le développement des objets connectés et des réseaux sociaux.
Le réseau 5G est disponible depuis fin 2020 en France et se déploie dans le monde entier. Il constitue une véritable rupture technologique, présentant de nombreuses innovations. Ses atouts ? Un débit 50 fois plus important que la 4G et un temps d’acheminement des données beaucoup plus court (jusqu’à 1ms, contre 10ms avec la 4G).


La 5G pourra occuper des bandes de fréquence entre 800MHz et 56GHz. Les fréquences les plus hautes appartiennent au domaine des ondes millimétriques (allant de 30 à 300 GHz). A ces fréquences-ci, l’atténuation des ondes avec la distance parcourue est plus importante mais les antennes sont plus petites que celles utilisées pour la 4G. Dans un même espace, il sera donc possible d'en associer beaucoup plus pour augmenter la puissance reçue (ou émise) dans certaines directions et ainsi, suivre plusieurs utilisateurs mobiles tout en limitant les interférences. Le développement d’applications telles que les voitures autonomes ou les objets connectés devrait être facilité par la 5G.

Notions clés :
*         Les ondes électromagnétiques transportent de l’énergie mais elles sont aussi capables de transporter de l’information.
*         Les ondes électromagnétiques se différencient et sont caractérisées par leur fréquence, c’est-à-dire le nombre d’oscillations en une seconde.

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