Les chercheurs ont découvert une nouvelle façon de concevoir des dispositifs optoélectroniques en étirant un matériau bidimensionnel au-dessus d'une plate-forme photonique en silicium. En utilisant cette méthode, a inventé l'optronique de contrainte par une équipe dirigée par le professeur Volker Sorger de l'Université George Washington, les chercheurs ont démontré pour la première fois qu'un matériau 2D enroulé autour d'un guide d'ondes photonique en silicium à l'échelle nanométrique crée un nouveau photodétecteur qui peut fonctionner avec une grande efficacité à la longueur d'onde technologiquement critique de 1550 nanomètres.

Une telle nouvelle photodétection peut faire progresser les communications et les systèmes informatiques futurs, en particulier dans des domaines émergents tels que l'apprentissage automatique et les réseaux de neurones artificiels.

La demande de données sans cesse croissante des sociétés modernes nécessite une conversion plus efficace des signaux de données dans le domaine optique, de l'internet par fibre optique aux appareils électroniques, comme un smartphone ou un ordinateur portable. Ce processus de conversion des signaux optiques en signaux électriques est effectué par un photodétecteur, un élément essentiel des réseaux optiques.

Les matériaux 2D ont des propriétés scientifiques et technologiques pertinentes pour les photodétecteurs. En raison de leur forte absorption optique, la conception d'un photodétecteur à base de matériaux 2D permettrait une meilleure photo-conversion, et donc une transmission de données et des télécommunications plus efficaces. Cependant, matériaux semi-conducteurs 2-D, tels que ceux de la famille des dichalcogénures de métaux de transition, ont, jusque là, été incapables de fonctionner efficacement aux longueurs d'onde des télécommunications en raison de leur large bande interdite optique et de leur faible absorption.

Strainoptronics apporte une solution à cette lacune et ajoute un outil d'ingénierie permettant aux chercheurs de modifier les propriétés électriques et optiques des matériaux 2D, et donc les pionniers des photodétecteurs à base de matériaux 2D.

Réalisant le potentiel de l'optronique de contrainte, les chercheurs ont étiré une couche ultrafine de tellurure de molybdène, un matériau semi-conducteur 2-D, au-dessus d'un guide d'ondes photonique en silicium pour assembler un nouveau photodétecteur. Ils ont ensuite utilisé leur « bouton de commande » nouvellement créé pour l'optronique de contrainte pour modifier ses propriétés physiques afin de réduire la bande interdite électronique, permettant à l'appareil de fonctionner à des longueurs d'onde proches de l'infrarouge, à savoir à la longueur d'onde pertinente pour les télécommunications (bande C) autour de 1550 nm.

Les chercheurs ont noté un aspect intéressant de leur découverte :la quantité de contrainte que ces matériaux semi-conducteurs 2-D peuvent supporter est considérablement plus élevée par rapport aux matériaux en vrac pour une quantité de contrainte donnée. Ils notent également que ces nouveaux photodétecteurs à base de matériaux 2D sont 1, 000 fois plus sensible que les autres photodétecteurs utilisant le graphène. Les photodétecteurs capables d'une sensibilité aussi extrême sont utiles non seulement pour les applications de communication de données, mais aussi pour la détection médicale et peut-être même les systèmes d'information quantique.

« Nous avons non seulement trouvé une nouvelle façon de concevoir un photodétecteur, mais aussi découvert une nouvelle méthodologie de conception pour les dispositifs optoélectroniques, que nous avons appelé «strainoptronique». Ces dispositifs possèdent des propriétés uniques pour la communication de données optiques et pour les réseaux de neurones artificiels photoniques émergents utilisés dans l'apprentissage automatique et l'IA, " a déclaré Volker Sorger, professeur agrégé de génie électrique et informatique à GW

"De façon intéressante, contrairement aux matériaux en vrac, les matériaux bidimensionnels sont des candidats particulièrement prometteurs pour l'ingénierie des déformations car ils peuvent résister à de plus grandes quantités de déformation avant rupture. Dans le futur proche, nous voulons appliquer une contrainte dynamiquement à de nombreux autres matériaux bidimensionnels dans l'espoir de trouver des possibilités infinies pour optimiser les dispositifs photoniques, " a conclu Rishi Maiti, stagiaire postdoctoral dans le département de génie électrique et informatique de GW