L'avenir du plus rapide, un traitement plus efficace de l'information peut se résumer à la lumière plutôt qu'à l'électricité. Marc Laurent, un chercheur postdoctoral en science et ingénierie des matériaux à Stanford, a fait un pas de plus vers cet avenir avec un schéma pour fabriquer une diode photonique - un dispositif qui permet à la lumière de ne circuler que dans une direction - qui, contrairement aux autres diodes lumineuses, est assez petit pour l'électronique grand public.

Tout ce qu'il avait à faire était de concevoir des structures plus petites que microscopiques et de briser une symétrie fondamentale de la physique.

"Les diodes sont omniprésentes dans l'électronique moderne, des LED (diodes électroluminescentes) aux cellules solaires (essentiellement les LED fonctionnent à l'envers) aux circuits intégrés pour l'informatique et les communications, " a déclaré Jennifer Dionne, professeur agrégé de science et ingénierie des matériaux et auteur principal de l'article décrivant ce travail, publié le 24 juillet dans Communication Nature . « Atteindre le compact, des diodes photoniques efficaces est primordiale pour permettre l'informatique de nouvelle génération, technologies de communication et même de conversion d'énergie.

À ce point, Dionne et Lawrence ont conçu la nouvelle diode photonique et vérifié leur conception avec des simulations et des calculs informatiques. Ils ont également créé les nanostructures nécessaires - les composants personnalisés plus petits que microscopiques - et installent la source lumineuse qui, espèrent-ils, donnera vie à leur système théorique.

"Une grande vision est d'avoir un ordinateur tout optique où l'électricité est complètement remplacée par la lumière et les photons pilotent tout le traitement de l'information, " a déclaré Lawrence. " L'augmentation de la vitesse et de la bande passante de la lumière permettrait des solutions plus rapides à certains des problèmes scientifiques les plus difficiles, problèmes mathématiques et économiques.

Lumière tournante, enfreindre les lois

Les principaux défis d'une diode lumineuse sont doubles. D'abord, suivant les lois de la thermodynamique, la lumière doit se déplacer vers l'avant à travers un objet sans pièces mobiles exactement de la même manière qu'elle se déplacerait vers l'arrière. La faire couler dans un sens nécessite de nouveaux matériaux qui renversent cette loi, briser ce qu'on appelle la symétrie d'inversion du temps. Seconde, la lumière est beaucoup plus difficile à manipuler que l'électricité car elle n'a pas de charge.

D'autres chercheurs ont déjà relevé ces défis en faisant passer la lumière à travers un polariseur - qui fait osciller les ondes lumineuses dans une direction uniforme - puis à travers un matériau cristallin dans un champ magnétique, qui fait tourner la polarisation de la lumière. Finalement, un autre polariseur adapté à cette polarisation fait sortir la lumière avec une transmission presque parfaite. Si la lumière traverse l'appareil dans la direction opposée, aucune lumière ne sort.

Lawrence a décrit l'action à sens unique de cette configuration en trois parties, connu sous le nom d'isolateur de Faraday, comme si on prenait un trottoir roulant entre deux portes, où le trottoir joue le rôle du champ magnétique. Même si tu essayais de reculer par la dernière porte, le trottoir vous empêcherait généralement d'atteindre la première porte.

Afin de produire une rotation suffisamment forte de la polarisation lumineuse, ces types de diodes doivent être relativement grandes, beaucoup trop grandes pour tenir dans les ordinateurs grand public ou les smartphones. Comme alternative, Dionne et Lawrence ont trouvé un moyen de créer une rotation dans le cristal en utilisant un autre faisceau lumineux au lieu d'un champ magnétique. Ce faisceau est polarisé de sorte que son champ électrique prend un mouvement en spirale qui, à son tour, génère des vibrations acoustiques rotatives dans le cristal qui lui confèrent des capacités de rotation de type magnétique et permettent à plus de lumière de sortir. Pour rendre la structure à la fois petite et efficace, le laboratoire Dionne s'est appuyé sur son expertise dans la manipulation et l'amplification de la lumière avec de minuscules nano-antennes et des matériaux nanostructurés appelés métasurfaces.

Les chercheurs ont conçu des matrices de disques de silicium ultra-minces qui fonctionnent par paires pour piéger la lumière et améliorer son mouvement en spirale jusqu'à ce qu'elle trouve son chemin. Il en résulte une transmission élevée dans le sens direct. Lorsqu'il est éclairé vers l'arrière, les vibrations acoustiques tournent dans la direction opposée et aident à annuler toute lumière essayant de sortir. Théoriquement, il n'y a pas de limite à la taille de ce système. Pour leurs simulations, ils ont imaginé des structures aussi fines que 250 nanomètres. (Pour référence, une feuille de papier vaut environ 100, 000 nanomètres d'épaisseur.)

Ce qui est possible

Grande image, les chercheurs sont particulièrement intéressés par la façon dont leurs idées pourraient influencer le développement d'ordinateurs de type cérébral, appelés ordinateurs neuromorphiques. Cet objectif nécessitera également des avancées supplémentaires dans d'autres composants à base de lumière, telles que les sources lumineuses et les commutateurs à l'échelle nanométrique.

« Nos dispositifs nanophotoniques peuvent nous permettre d'imiter la façon dont les neurones calculent, ce qui donne à l'informatique la même interconnectivité élevée et la même efficacité énergétique que le cerveau, mais avec des vitesses de calcul beaucoup plus rapides, " dit Dionne.

"Nous pouvons prendre ces idées dans tant de directions, " a déclaré Lawrence. " Nous n'avons pas trouvé les limites de l'informatique optique classique ou quantique et du traitement de l'information optique. Un jour, nous pourrions avoir une puce tout optique qui fait tout ce que l'électronique fait et plus encore."