Illustration de la façon dont les électrons peuvent être imaginés pour se déplacer entre deux bras d'une nanoantenne métallique, entraînée par une onde lumineuse à cycle unique. Crédit :Université de Constance
Une équipe européenne de chercheurs comprenant des physiciens de l'Université de Constance a trouvé un moyen de transporter des électrons parfois en dessous de la gamme femtoseconde en les manipulant avec de la lumière. Cela pourrait avoir des implications majeures pour l'avenir du traitement des données et de l'informatique.
Composants électroniques contemporains, qui sont traditionnellement basés sur la technologie des semi-conducteurs au silicium, peut être allumé ou éteint en quelques picosecondes (c'est-à-dire 10 -12 secondes). Les téléphones portables et ordinateurs standard fonctionnent à des fréquences maximales de plusieurs gigahertz (1 GHz =10 9 Hz) tandis que les transistors individuels peuvent approcher un térahertz (1 THz =10 12 Hz). Augmenter encore la vitesse à laquelle les dispositifs de commutation électroniques peuvent être ouverts ou fermés à l'aide de la technologie standard s'est depuis avéré un défi. Une récente série d'expériences—menées à l'Université de Constance et rapportées dans une récente publication dans Physique de la nature — démontre que les électrons peuvent être amenés à se déplacer à des vitesses inférieures à la femtoseconde, c'est-à-dire plus rapide que 10 -15 secondes, en les manipulant avec des ondes lumineuses adaptées.
"C'est peut-être le futur lointain de l'électronique, " dit Alfred Leitenstorfer, Professeur de phénomènes ultrarapides et de photonique à l'Université de Constance (Allemagne) et co-auteur de l'étude. "Nos expériences avec des impulsions lumineuses à cycle unique nous ont conduits bien dans la gamme attoseconde du transport d'électrons." La lumière oscille à des fréquences au moins mille fois supérieures à celles atteintes par les circuits purement électroniques :Une femtoseconde correspond à 10 -15 secondes, qui est la millionième partie d'un milliardième de seconde. Leitenstorfer et son équipe du Département de physique et du Center for Applied Photonics (CAP) de l'Université de Constance pensent que l'avenir de l'électronique réside dans les dispositifs plasmoniques et optoélectroniques intégrés qui fonctionnent dans le régime à électron unique au niveau optique, plutôt que dans les micro-ondes. -fréquences. "Toutefois, c'est une recherche très fondamentale dont nous parlons ici et qui peut prendre des décennies à mettre en œuvre, ", prévient-il.
Une question de contrôle de la lumière et de la matière
Le défi pour l'équipe internationale de physiciens théoriques et expérimentaux de l'Université de Constance, l'Université du Luxembourg, Le CNRS-Université Paris Sud (France) et le Center for Materials Physics (CFM-CSIC) et Donostia International Physics Center (DIPC) à San Sebastián (Espagne) qui ont collaboré sur ce projet était de développer un dispositif expérimental pour manipuler la lumière ultracourte des impulsions à des échelles femtosecondes inférieures à un seul cycle d'oscillation d'une part, et de créer des nanostructures adaptées aux mesures de haute précision et à la manipulation de charges électroniques d'autre part. "Heureusement pour nous, nous avons des installations de première classe à notre disposition ici même à Constance, " dit Leitenstorfer, dont l'équipe a mené les expériences. "Le Center for Applied Photonics est une installation de pointe mondiale pour le développement de la technologie laser ultrarapide. Et grâce à notre Centre de Recherche Collaboratif 767 Nanosystèmes Contrôlés :Interaction et Interfaçage à l'Échelle Macro, nous avons accès à des nanostructures extrêmement bien définies qui peuvent être créées et contrôlées à l'échelle nanométrique."
Commutateur d'électrons ultra-rapide
Le dispositif expérimental développé par l'équipe de Leitenstorfer et l'auteur coordinateur Daniele Brida (anciennement chef d'un groupe de recherche Emmy Noether à l'Université de Constance, aujourd'hui professeur à l'Université du Luxembourg) impliquait des antennes en or à l'échelle nanométrique ainsi qu'un laser ultrarapide capable d'émettre cent millions d'impulsions lumineuses à cycle unique par seconde afin de générer un courant mesurable. La conception en nœud papillon de l'antenne optique a permis une concentration spatio-temporelle sous-longueur et sous-cycle du champ électrique de l'impulsion laser dans l'espace d'une largeur de six nm (1 nm =10 -9 mètres).
En raison du caractère hautement non linéaire de l'effet tunnel des électrons hors du métal et de l'accélération sur l'espace dans le champ optique, les chercheurs ont pu commuter des courants électroniques à des vitesses d'environ 600 attosecondes (c'est-à-dire moins d'une femtoseconde, 1 comme =10 -18 secondes). "Ce processus ne se produit qu'à des échelles de temps inférieures à la moitié d'une période d'oscillation du champ électrique de l'impulsion lumineuse, " explique Leitenstorfer, une observation que les partenaires du projet à Paris et à Saint-Sébastien ont pu confirmer et cartographier en détail au moyen d'un traitement dépendant du temps de la structure quantique électronique couplée au champ lumineux.
L'étude ouvre de toutes nouvelles opportunités pour comprendre comment la lumière interagit avec la matière condensée, permettant l'observation de phénomènes quantiques à des échelles temporelles et spatiales sans précédent. S'appuyant sur la nouvelle approche de la dynamique des électrons conduite à l'échelle nanométrique par les champs optiques que cette étude offre, les chercheurs étudieront ensuite le transport des électrons à des échelles de temps et de longueur atomiques dans des dispositifs à semi-conducteurs encore plus sophistiqués avec des dimensions picométriques.
