Le fonctionnement des composants des futurs ordinateurs peut désormais être filmé en qualité HD, pour ainsi dire. Manish Garg et Klaus Kern, chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide à Stuttgart, ont développé un microscope pour les processus extrêmement rapides qui se déroulent à l'échelle quantique. Ce microscope, une sorte de caméra HD pour le monde quantique, permet de suivre avec précision les mouvements des électrons jusqu'à l'atome individuel. Il devrait donc fournir des informations utiles lorsqu'il s'agit de développer des composants électroniques extrêmement rapides et extrêmement petits, par exemple.

Les processus qui se déroulent dans le monde quantique représentent un défi même pour les physiciens les plus expérimentés. Par exemple, les choses qui se déroulent à l'intérieur des composants de plus en plus puissants des ordinateurs ou des smartphones se produisent non seulement extrêmement rapidement, mais également dans un espace de plus en plus petit. Lorsqu'il s'agit d'analyser ces processus et d'optimiser les transistors, par exemple, des vidéos des électrons seraient très utiles aux physiciens. Pour y parvenir, les chercheurs ont besoin d'une caméra ultra-rapide qui expose chaque image de cette "vidéo électronique" pendant quelques centaines d'attosecondes. Une attoseconde est un milliardième de milliardième de seconde; à l'époque, la lumière ne peut parcourir que la longueur d'une molécule d'eau. Depuis plusieurs années, les physiciens ont utilisé des impulsions laser d'une longueur suffisamment courte comme caméra attoseconde.

Autrefois, cependant, une image attoseconde n'a livré qu'un instantané d'un électron sur ce qui était essentiellement un arrière-plan flou. Maintenant, grâce au travail de Klaus Kern, Directeur au Max Planck Institute for Solid State Research, et Manish Garg, un scientifique du département de Kern, les chercheurs peuvent désormais également identifier avec précision l'emplacement de l'électron filmé jusqu'à l'atome individuel.

Impulsions laser ultracourtes combinées à un microscope à effet tunnel

Pour faire ça, les deux physiciens utilisent des impulsions laser ultracourtes en conjonction avec un microscope à effet tunnel. Ce dernier atteint une résolution à l'échelle atomique en balayant une surface avec une pointe qui elle-même est idéalement constituée d'un seul atome. Tunnel d'électrons entre la pointe et la surface, c'est-à-dire ils traversent l'espace intermédiaire même s'ils n'ont en fait pas assez d'énergie pour le faire. Comme l'efficacité de ce processus d'effet tunnel dépend fortement de la distance que les électrons doivent parcourir, il peut être utilisé pour mesurer l'espace entre la pointe et un échantillon et donc pour représenter même des atomes et des molécules individuels sur une surface. Jusqu'à maintenant, cependant, les microscopes à effet tunnel n'atteignaient pas une résolution temporelle suffisante pour suivre les électrons.

« En associant un microscope à effet tunnel à des impulsions ultrarapides, il était facile d'utiliser les avantages des deux méthodes pour compenser leurs inconvénients respectifs, ", explique Manish Garg. Les chercheurs tirent ces impulsions lumineuses extrêmement courtes sur la pointe du microscope - qui est positionnée avec une précision atomique - pour déclencher le processus de tunnel. En conséquence, cette caméra ultra-rapide pour le monde quantique peut désormais également atteindre une résolution HD.

ouvrant la voie à l'électronique à ondes lumineuses, qui est des millions de fois plus rapide

Avec la nouvelle technique, les physiciens peuvent maintenant mesurer exactement où se trouvent les électrons à un moment précis jusqu'à l'atome individuel et avec une précision de quelques centaines d'attosecondes. Par exemple, cela peut être utilisé dans des molécules dont un électron a été catapulté par une impulsion lumineuse à haute énergie, conduisant les porteurs de charge négatifs restants à se réarranger et amenant éventuellement la molécule à entrer dans une réaction chimique avec une autre molécule. "Filmer des électrons dans des molécules en direct, et à leur échelle spatiale et temporelle naturelle, est indispensable pour comprendre la réactivité chimique, par exemple, et la conversion de l'énergie lumineuse au sein des particules chargées, comme les électrons ou les ions, " dit Klaus Kern, Directeur à l'Institut Max Planck de recherche sur l'état solide.

De plus, la technique permet non seulement aux chercheurs de suivre le chemin des électrons à travers les processeurs et les puces du futur, mais peut aussi conduire à une accélération dramatique des porteurs de charge :« Dans les ordinateurs d'aujourd'hui, les électrons oscillent à une fréquence d'un milliard de hertz, " dit Klaus Kern. " En utilisant des impulsions lumineuses ultracourtes, il est peut-être possible d'augmenter leur fréquence jusqu'à un billion de hertz." Avec ce turbo booster pour ondes lumineuses, les chercheurs pourraient ouvrir la voie à l'électronique à ondes lumineuses, qui est des millions de fois plus rapide que les ordinateurs actuels. Par conséquent, le microscope ultrarapide filme non seulement des processus dans le monde quantique, mais agit également en tant que directeur en interférant avec ces processus.