Extrêmement court, des impulsions lumineuses "femtosecondes" configurables démontrées par une équipe internationale pourraient conduire à de futurs ordinateurs pouvant fonctionner jusqu'à 100, 000 fois plus rapide que l'électronique d'aujourd'hui.

Les chercheurs, dont des ingénieurs de l'Université du Michigan, ont montré qu'ils pouvaient contrôler les pics dans les impulsions laser et également tordre la lumière.

La méthode déplace les électrons plus rapidement et plus efficacement que les courants électriques, et avec des effets fiables sur leurs états quantiques. C'est un pas vers ce qu'on appelle "l'électronique à ondes lumineuses" et, dans un futur plus lointain, l'informatique quantique, dit Mackillo Kira, U-M professeur de génie électrique et d'informatique qui a participé à la recherche.

Des électrons se déplaçant à travers un semi-conducteur dans un ordinateur, par exemple, rencontrer occasionnellement d'autres électrons, libérant de l'énergie sous forme de chaleur. Mais un concept appelé électronique à ondes lumineuses propose que les électrons puissent être guidés par des impulsions laser ultrarapides. Alors que la vitesse élevée dans une voiture rend plus probable qu'un conducteur percute quelque chose, une vitesse élevée pour un électron peut rendre le temps de trajet si court qu'il est statistiquement peu probable qu'il heurte quoi que ce soit.

« Au cours des dernières années, nous et d'autres groupes avons découvert que le champ électrique oscillant des impulsions laser ultracourtes peut en fait déplacer les électrons d'avant en arrière dans les solides, " a déclaré Rupert Huber, professeur de physique à l'Université de Ratisbonne qui a dirigé l'expérience. « Tout le monde a été immédiatement enthousiasmé parce que l'on pourrait peut-être exploiter ce principe pour construire de futurs ordinateurs qui fonctionnent à des fréquences d'horloge sans précédent, 10 à cent mille fois plus rapides que l'électronique de pointe.

Mais d'abord, les chercheurs doivent être capables de contrôler les électrons dans un semi-conducteur. Ce travail fait un pas vers cette capacité en mobilisant des groupes d'électrons à l'intérieur d'un cristal semi-conducteur à l'aide d'un rayonnement térahertz, la partie du spectre électromagnétique entre les micro-ondes et la lumière infrarouge.

Les chercheurs ont projeté des impulsions laser dans un cristal de séléniure de gallium semi-conducteur. Ces impulsions étaient très courtes à moins de 100 femtosecondes, ou 100 quadrillions de seconde. Chaque impulsion faisait passer les électrons du semi-conducteur à un niveau d'énergie plus élevé, ce qui signifiait qu'ils étaient libres de se déplacer, et les faisait avancer. Les différentes orientations du cristal semi-conducteur par rapport aux impulsions signifiaient que les électrons se déplaçaient dans différentes directions à travers le cristal, par exemple, ils pourraient courir le long des liaisons atomiques ou entre eux.

"Les différents paysages énergétiques peuvent être considérés comme une rue plate et droite pour les électrons dans une direction cristalline, mais pour les autres, il peut ressembler davantage à un plan incliné sur le côté, " dit Fabian Langer, doctorant en physique à Ratisbonne. "Cela signifie que les électrons ne peuvent plus se déplacer dans la direction du champ laser mais effectuer leur propre mouvement dicté par l'environnement microscopique."

Lorsque les électrons ont émis de la lumière en descendant du niveau d'énergie supérieur, leurs différents voyages se reflétaient dans les impulsions. Ils ont émis des impulsions beaucoup plus courtes que le rayonnement électromagnétique entrant. Ces rafales de lumière ne duraient que quelques femtosecondes.

Dans un cristal, ils sont assez rapides pour prendre des instantanés d'autres électrons lorsqu'ils se déplacent parmi les atomes, et ils pourraient également être utilisés pour lire et écrire des informations sur les électrons. Pour ça, les chercheurs devraient être capables de contrôler ces impulsions et le cristal fournit une gamme d'outils.

"Il y a des oscillations rapides comme les doigts dans une impulsion. Nous pouvons déplacer la position des doigts très facilement en tournant le cristal, " dit Kira, dont le groupe a travaillé avec des chercheurs de l'Université de Marburg, Allemagne, pour interpréter l'expérience de Huber.

Le cristal pourrait également tordre les ondes lumineuses sortantes ou non, en fonction de son orientation par rapport aux impulsions laser entrantes.

Parce que les impulsions femtosecondes sont suffisamment rapides pour intercepter un électron entre être mis dans un état excité et descendre de cet état, ils peuvent potentiellement être utilisés pour des calculs quantiques utilisant des électrons dans des états excités comme qubits.

"Par exemple, ici nous avons réussi à lancer un électron simultanément via deux voies d'excitation, ce qui n'est pas possible classiquement. C'est le monde quantique. Dans le monde quantique, il se passe des choses étranges, " dit Kira.

Un électron est suffisamment petit pour se comporter aussi bien comme une onde qu'une particule - et lorsqu'il est dans un état excité, sa longueur d'onde change. Parce que l'électron était dans deux états excités à la fois, ces deux ondes se sont interférées et ont laissé une empreinte digitale dans l'impulsion femtoseconde émise par l'électron.

"Ce véritable effet quantique pourrait être vu dans les impulsions femtosecondes comme nouveau, contrôlable, fréquences et directions d'oscillation, " dit Kira. " Il s'agit bien sûr de physique fondamentale. Avec les mêmes idées, vous pourriez optimiser les réactions chimiques. Vous pourriez obtenir de nouvelles façons de stocker des informations ou de transmettre des informations en toute sécurité grâce à la cryptographie quantique. »

Huber s'intéresse particulièrement aux caméras stroboscopiques au ralenti pour révéler certains des processus les plus rapides de la nature, comme les électrons se déplaçant à l'intérieur des atomes.

"Nos solides cristallins constituent des sources lumineuses fantastiques dans ce domaine, avec des possibilités sans précédent de mise en forme d'impulsions, " il a dit.

Un article sur le travail, intitulé "Symétrie contrôlée structure temporelle des champs porteurs à haute harmonique à partir d'un cristal en vrac, " sera publié dans Photonique de la nature . La recherche est financée par le Conseil européen de la recherche et la Fondation allemande pour la recherche.