Une équipe internationale de chercheurs de l'Université d'Etat de Moscou (Russie), Laboratoires nationaux Sandia (États-Unis), et l'Université Friedrich-Schiller (Allemagne) ont conçu un métamatériau accordable ultrarapide basé sur des nanoparticules d'arséniure de gallium. Leur étude a été publiée dans Communication Nature . Le nouveau métamatériau optique ouvre la voie à un transfert d'informations ultrarapide à l'échelle nanométrique.

Les métamatériaux optiques sont des supports artificiels qui acquièrent des propriétés optiques inhabituelles en raison de la nanostructuration. Depuis près de 20 ans, les chercheurs ont conçu de nombreux dispositifs à base de métamatériaux, y compris ceux qui cachent des objets à ceux sensibles à des concentrations infimes de substances. Cependant, lors de la fabrication, les propriétés du métamatériau restent fixes. L'équipe a trouvé un moyen d'activer et de désactiver les métamatériaux, " et le faire très rapidement, plus de 100 milliards de fois par seconde.

Les chercheurs ont fabriqué le métamatériau à partir d'un mince film d'arséniure de gallium par lithographie par faisceau d'électrons suivie d'une gravure au plasma. Le matériau est constitué d'un réseau de nanoparticules semi-conductrices, qui peut concentrer de manière résonante et « retenir » la lumière à l'échelle nanométrique. En d'autres termes, quand la lumière éclaire le métamatériau, il est "piégé" à l'intérieur des nanoparticules et interagit plus efficacement avec elles.

Le principe de fonctionnement du métamatériau accordable ultrarapide réside dans la génération de paires électron-trou. En régime permanent, le métamatériau est réfléchissant. Puis, les chercheurs éclairent le métamatériau avec une impulsion laser ultracourte. Son énergie est utilisée pour générer des électrons et des lacunes électroniques – des « trous » – dans le matériau. La présence d'électrons et de trous modifie les propriétés du métamatériau de telle sorte qu'il n'est plus réfléchissant. En une fraction de seconde, les électrons et les trous disparaissent en se rencontrant, et le métamatériau est à nouveau réfléchissant. De cette façon, il est possible de construire des éléments logiques optiques, ce qui ouvre également la possibilité de créer des calculateurs optiques ultrarapides.

En 2015, une partie de la même collaboration a signalé un dispositif similaire basé sur des nanostructures de silicium. Dans leur nouvelle étude, l'arséniure de gallium a été utilisé à la place du silicium, ce qui a augmenté d'un ordre de grandeur l'efficacité du contrôle de la lumière via la lumière dans les métamatériaux.

À l'avenir, la recherche pourrait permettre de créer des dispositifs de transfert d'informations avec des vitesses de traitement de dizaines et de centaines de térabits par seconde. La démonstration de métamatériaux semi-conducteurs accordables hautement efficaces est une étape importante vers de telles vitesses de traitement de l'information.