Des fréquences plus élevées signifient un transfert de données plus rapide et des processeurs plus puissants, la formule qui anime l'industrie informatique depuis des années. Techniquement, cependant, il est tout sauf facile de continuer à augmenter les fréquences d'horloge et les fréquences radio. De nouveaux matériaux pourraient résoudre le problème. Des expériences à Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ont maintenant produit un résultat prometteur :une équipe internationale de chercheurs a pu obtenir un nouveau matériau pour augmenter la fréquence d'un flash de rayonnement térahertz d'un facteur sept :une première étape pour le potentiel applications informatiques, comme le rapporte le groupe dans le journal Communication Nature .

Lorsque les smartphones reçoivent des données et que les puces informatiques effectuent des calculs, de tels processus impliquent toujours des champs électriques alternatifs qui envoient des électrons sur des chemins clairement définis. Des fréquences de champ plus élevées signifient que les électrons peuvent faire leur travail plus rapidement, permettant des taux de transfert de données plus élevés et des vitesses de processeur plus élevées. Le plafond actuel est la gamme térahertz, c'est pourquoi les chercheurs du monde entier souhaitent comprendre comment les champs térahertz interagissent avec les nouveaux matériaux. « Notre installation térahertz TELBE à HZDR est une source exceptionnelle pour étudier ces interactions en détail et identifier les matériaux prometteurs, " déclare Jan-Christoph Deinert de l'Institut de physique des rayonnements du HZDR. " Un candidat possible est l'arséniure de cadmium, par exemple."

Le physicien a étudié ce composé aux côtés de chercheurs de Dresde, Eau de Cologne, et Shanghaï. Arséniure de cadmium (Cd 3 Comme 2 ) appartient au groupe des matériaux dits de Dirac tridimensionnels, dans lequel les électrons peuvent interagir très rapidement et efficacement, à la fois entre eux et avec des champs électriques alternatifs à oscillation rapide. « Nous étions particulièrement intéressés à savoir si l'arséniure de cadmium émet également un rayonnement térahertz à de nouvelles, fréquences plus élevées, " explique Sergey Kovalev, scientifique de la ligne de lumière TELBE. " Nous l'avons déjà observé avec beaucoup de succès dans le graphène, un matériau Dirac bidimensionnel. » Les chercheurs soupçonnaient que la structure électronique tridimensionnelle de l'arséniure de cadmium aiderait à atteindre une efficacité élevée dans cette conversion.

Pour tester cela, les experts ont utilisé un procédé spécial pour produire des plaquettes ultra-fines de haute pureté à partir d'arséniure de cadmium, qu'ils ont ensuite soumis aux impulsions térahertz de l'installation TELBE. Des détecteurs situés derrière la plaquette ont enregistré la réaction de l'arséniure de cadmium aux impulsions de rayonnement. Le résultat :« Nous avons pu montrer que l'arséniure de cadmium agit comme un multiplicateur de fréquence très efficace et ne perd pas son efficacité, même pas sous les très fortes impulsions térahertz qui peuvent être générées à TELBE, " rapporte l'ancien chercheur du HZDR Zhe Wang, qui travaille maintenant à l'Université de Cologne. L'expérience a été la première à démontrer le phénomène de multiplication de fréquence térahertz jusqu'à la septième harmonique dans cette classe de matériaux encore jeune.

Les électrons dansent à leur rythme

En plus des preuves expérimentales, l'équipe et les chercheurs de l'Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes ont également fourni une description théorique détaillée de ce qui s'est passé :les impulsions térahertz qui frappent l'arséniure de cadmium génèrent un champ électrique puissant. "Ce champ accélère les électrons libres dans le matériau, " Deinert décrit. " Imaginez un grand nombre de minuscules pastilles d'acier roulant sur une plaque qui est basculée d'un côté à l'autre très rapidement. "

Les électrons de l'arséniure de cadmium répondent à cette accélération en émettant un rayonnement électromagnétique. L'essentiel est qu'ils ne suivent pas exactement le rythme du champ térahertz, mais oscillent sur des chemins un peu plus compliqués, qui est une conséquence de la structure électronique inhabituelle du matériau. Par conséquent, les électrons émettent de nouvelles impulsions térahertz à des multiples entiers impairs de la fréquence d'origine, un effet non linéaire similaire à celui d'un piano :lorsque vous appuyez sur la touche A du clavier, l'instrument sonne non seulement la touche que vous avez jouée, mais aussi un riche spectre d'harmoniques, les harmoniques.

Pour un monde post 5G

Le phénomène est prometteur pour de nombreuses applications futures, par exemple dans la communication sans fil, qui tend vers des fréquences radio toujours plus élevées qui peuvent transmettre beaucoup plus de données que les canaux conventionnels d'aujourd'hui. L'industrie déploie actuellement la norme 5G. Les composants en matériaux Dirac pourraient un jour utiliser des fréquences encore plus élevées et ainsi permettre une bande passante encore plus grande que la 5G. La nouvelle classe de matériaux semble également présenter un intérêt pour les futurs ordinateurs comme pourraient le faire les composants à base de Dirac, en théorie, permettent des fréquences d'horloge plus élevées que les technologies à base de silicium d'aujourd'hui.

Mais d'abord, la science fondamentale qui la sous-tend nécessite une étude plus approfondie. "Le résultat de notre recherche n'était que la première étape, " souligne Zhe Wang. " Avant d'envisager des applications concrètes, nous devons augmenter l'efficacité des nouveaux matériaux." À cette fin, les experts veulent savoir dans quelle mesure ils peuvent contrôler la multiplication de fréquence en appliquant un courant électrique. Et ils veulent doper leurs échantillons, c'est-à-dire les enrichir d'atomes étrangers, dans l'espoir d'optimiser la conversion de fréquence non linéaire.