Une équipe dirigée par Sandia National Laboratories a pour la première fois utilisé l'optique plutôt que l'électronique pour faire passer un dispositif à couche mince d'un nanomètre d'épaisseur de complètement sombre à complètement transparent, ou léger, à une vitesse de mille milliardièmes de seconde.

L'équipe dirigée par le chercheur principal Igal Brener a publié un Photonique de la nature ce printemps avec des collaborateurs de la North Carolina State University. L'article décrit les travaux sur le traitement optique de l'information, telles que la commutation ou le contrôle de la polarisation de la lumière utilisant la lumière comme faisceau de contrôle, à des vitesses térahertz, un rythme beaucoup plus rapide que ce qui est réalisable aujourd'hui par des moyens électroniques, et une taille globale de dispositif plus petite que les autres technologies de commutation tout optique.

Les électrons qui tournent à l'intérieur des appareils comme ceux utilisés dans les équipements de télécommunications ont une vitesse limite en raison d'un taux de charge lent et d'une mauvaise dissipation de la chaleur, donc si un fonctionnement beaucoup plus rapide est l'objectif, les électrons pourraient devoir céder la place aux photons.

Pour utiliser efficacement les photons, la technique nécessite un appareil qui passe de complètement clair à complètement sombre à des vitesses térahertz. Autrefois, les chercheurs ne pouvaient pas obtenir le changement de contraste nécessaire à partir d'un commutateur optique à la vitesse requise dans un petit appareil. Les tentatives précédentes ressemblaient plus à tamiser une lumière qu'à l'éteindre, ou besoin de lumière pour parcourir une longue distance.

La percée montre qu'il est possible d'effectuer une commutation tout optique à contraste élevé dans un appareil très fin, dans lequel l'intensité lumineuse ou la polarisation est commutée optiquement, dit Yuanmu Yang, un ancien post-doctorant de Sandia Labs qui a travaillé au Center for Integrated Nanotechnologies, une installation utilisatrice du ministère de l'Énergie exploitée conjointement par les laboratoires nationaux Sandia et Los Alamos. Le travail a été fait au CINT.

"Au lieu d'allumer et d'éteindre un courant, le but serait d'allumer et d'éteindre la lumière à des rythmes beaucoup plus rapides que ce qui est réalisable aujourd'hui, " a dit Yang.

Traitement plus rapide de l'information important dans les communications, recherche en physique

Une plate-forme de commutation très rapide et compacte ouvre une nouvelle voie pour étudier les problèmes de physique fondamentale. "Beaucoup de processus physiques se produisent en fait à une vitesse très rapide, à une vitesse de quelques térahertz, " a déclaré Yang. " Disposer de cet outil nous permet d'étudier la dynamique des processus physiques comme la rotation moléculaire et le spin magnétique. C'est important pour la recherche et pour faire avancer les connaissances."

Il pourrait également agir comme un commutateur de polarisation rapide - la polarisation modifie les caractéristiques de la lumière - qui pourrait être utilisé en imagerie biologique ou en spectroscopie chimique, dit Brener. "Parfois, vous effectuez des mesures qui nécessitent de changer la polarisation de la lumière à un rythme très rapide. Notre appareil peut également fonctionner comme ça. C'est soit un interrupteur absolu qui s'allume et s'éteint, soit un interrupteur de polarisation qui commute simplement la polarisation de la lumière. "

Le traitement ultrarapide de l'information « matières en informatique, télécommunications, traitement de signal, traitement d'images et dans les expériences de chimie et de biologie où l'on souhaite une commutation très rapide, " a déclaré Brener. " Certaines techniques d'imagerie laser bénéficieront également d'une commutation rapide. "

La découverte de l'équipe est née d'une recherche financée par les sciences fondamentales de l'énergie du département de l'énergie, Division des sciences et de l'ingénierie des matériaux, cette, entre autres, permet à Sandia d'étudier l'interaction lumière-matière et différents concepts en nanophotonique.

"C'est un exemple où il vient de passer de la recherche fondamentale à quelque chose qui a une performance incroyable, " dit Brener. " Aussi, nous avons eu la chance d'avoir une collaboration avec la North Carolina State University. Ils avaient le matériel et nous avons réalisé que nous pouvions l'utiliser à cette fin. Il n'était pas motivé par un projet appliqué; c'était l'inverse."

La technique utilise des faisceaux laser pour véhiculer des informations, changer d'appareil

La technique utilise deux faisceaux laser, l'un porte les informations et le second allume et éteint l'appareil.

Le faisceau de commutation utilise des photons pour chauffer les électrons à l'intérieur des semi-conducteurs à des températures de quelques milliers de degrés Fahrenheit, ce qui ne fait pas chauffer l'échantillon mais modifie considérablement les propriétés optiques du matériau. Le matériau se détend également à des vitesses térahertz, en quelques centaines de femtosecondes ou en moins d'un billionième de seconde. « Nous pouvons donc allumer et éteindre ce matériau à un rythme de quelques milliers de milliards de fois par seconde, " a dit Yang.

Les chercheurs de Sandia allument et éteignent l'interrupteur optique en créant ce qu'on appelle une cavité plasmonique, qui confine la lumière à quelques dizaines de nanomètres, et augmente considérablement l'interaction lumière-matière. En utilisant un matériau plasmonique spécial, oxyde de cadmium dopé de l'État de Caroline du Nord, ils ont construit une cavité plasmonique de haute qualité. L'échauffement des électrons dans l'oxyde de cadmium dopé modifie drastiquement les propriétés opto-électriques de la cavité plasmonique, moduler l'intensité de la lumière réfléchie.

Les matériaux plasmoniques traditionnels comme l'or ou l'argent sont à peine sensibles au faisceau de contrôle optique. Le fait de projeter un faisceau sur eux ne change pas leurs propriétés de clair à foncé ou vice versa. Le faisceau de contrôle optique, cependant, altère très rapidement la cavité d'oxyde de cadmium dopé, contrôler ses propriétés optiques comme un interrupteur marche-arrêt.

L'étape suivante consiste à déterminer comment utiliser des impulsions électriques plutôt que des impulsions optiques pour activer le commutateur, une approche tout optique nécessitant encore de gros équipements, dit Brener. Il estime que les travaux pourraient prendre de trois à cinq ans.

"Pour des raisons pratiques, vous devez miniaturiser et le faire électriquement, " il a dit.

Les auteurs de l'article sont Yang, Brener, Salvatore Campione, Willie Luk et Mike Sinclair chez Sandia Labs et Jon-Paul Maria, Kyle Kelley et Edward Sachet dans l'État de Caroline du Nord.