L'électronique est de plus en plus associée à des systèmes optiques, comme lorsque vous accédez à Internet sur un ordinateur géré électroniquement via des câbles à fibres optiques.

Mais l'optique de maillage - qui repose sur des particules de lumière appelées photons - avec l'électronique - qui repose sur des électrons - est un défi, en raison de leurs échelles disparates. Les électrons fonctionnent à une échelle beaucoup plus petite que la lumière. L'inadéquation entre les systèmes électroniques et les systèmes optiques signifie qu'à chaque fois qu'un signal passe de l'un à l'autre, l'inefficacité s'insinue dans le système.

Maintenant, une équipe dirigée par un scientifique de l'Université Purdue a trouvé un moyen de créer des métamatériaux plus efficaces en utilisant des semi-conducteurs et un nouvel aspect de la physique qui amplifie l'activité des électrons. L'étude est publiée dans la revue Optique .

Cette nouvelle classe de matériaux a le potentiel d'augmenter considérablement la résolution de la numérisation médicale et de l'imagerie scientifique et de réduire considérablement la taille des superordinateurs, créer un avenir où les scientifiques peuvent voir des choses minuscules avec beaucoup plus de détails et où les appareils sont plus petits et plus puissants.

Les scientifiques ont travaillé pendant des décennies pour réduire les photons à l'échelle nanométrique afin de les rendre plus compatibles avec les électrons, un domaine connu sous le nom de nanophononique. Ceci peut être réalisé en utilisant des matériaux raréfiés et des techniques de production coûteuses pour fabriquer des matériaux dits hyperboliques. En utilisant des matériaux hyperboliques, les scientifiques peuvent réduire les photons en comprimant la lumière, facilitant l'interface avec les systèmes électriques.

Evgenii Narimanov, un physicien théoricien et professeur de génie électrique et informatique à Purdue, expliqué, « La chose la plus importante à propos des matériaux hyperboliques est qu'ils peuvent compresser la lumière à presque toutes les échelles. Lorsque vous pouvez réduire la lumière, vous résolvez le problème de la déconnexion entre l'optique et l'électronique. Ensuite, vous pouvez faire de l'optoélectronique très efficace."

Le problème réside dans la création de ces matériaux hyperboliques. Ils sont généralement constitués de couches entrelacées de métaux et de diélectriques, et chaque surface doit être aussi lisse et sans défaut que possible au niveau atomique, quelque chose de difficile, chronophage et coûteux.

La solution, Narimanov croit, comprend les semi-conducteurs. Pas, il a souligné, à cause de quelque chose de spécial sur les semi-conducteurs eux-mêmes. Mais parce que les scientifiques et les chercheurs ont consacré les 70 dernières années ou plus à produire efficacement des semi-conducteurs de haute qualité. Narimanov s'est demandé s'il pouvait exploiter cette compétence et l'appliquer à la production de métamatériaux nouveaux et améliorés.

Malheureusement, les semi-conducteurs ne font pas par nature de bons métamatériaux optiques; ils n'ont pas assez d'électrons. Ils peuvent fonctionner à des fréquences relativement basses, dans l'infrarouge moyen à lointain. Mais pour améliorer les technologies d'imagerie et de détection, les scientifiques ont besoin de métamatériaux qui fonctionnent dans le visible sur le spectre proche infrarouge, à des longueurs d'onde beaucoup plus courtes que l'infrarouge moyen et lointain.

Narimanov et ses collaborateurs ont découvert et testé un phénomène optique appelé « résonance balistique ». Dans ces nouveaux matériaux optiques, qui combinent les concepts de métamatériaux avec la précision atomique des semi-conducteurs monocristallins, les électrons libres (balistiques) interagissent avec un champ optique oscillant.

Synchroniser le champ optique avec la fréquence du mouvement des électrons libres lorsqu'ils rebondissent dans les limites des couches minces conductrices, former le matériau composite, fait résonner les électrons, améliorer la réaction de chaque électron et créer un métamatériau qui fonctionne à des fréquences plus élevées. Alors que les chercheurs n'étaient pas encore capables d'atteindre les longueurs d'onde du spectre visible, ils ont fait 60 % du chemin.

"Nous avons montré qu'il existe un mécanisme physique qui rend cela possible, " dit Narimanov. " Avant, les gens ne se rendaient pas compte que c'était quelque chose qui pouvait être fait. Nous avons ouvert la voie. Nous avons montré que c'est théoriquement possible, puis nous avons démontré expérimentalement une amélioration de 60 % de la fréquence de fonctionnement par rapport aux matériaux existants."

Narimanov est à l'origine de l'idée, puis s'est associé à Kun Li, Andrew Briggs, Seth Bank et Daniel Wasserman à l'Université du Texas, ainsi que Evan Simmons et Viktor Podolskiy à l'Université du Massachusetts Lowell. Les chercheurs de l'Université du Texas ont développé la technologie de fabrication, tandis que les scientifiques du Massachusetts Lowell ont contribué à la théorie quantique complète et ont effectué les simulations numériques pour s'assurer que tout fonctionnait comme prévu.

"Nous continuerons à repousser cette frontière, " a déclaré Narimanov. " Même si nous réussissons extrêmement bien, personne n'obtiendra des métamatériaux semi-conducteurs dans le spectre visible et proche infrarouge d'ici un an ou deux. Cela peut prendre environ cinq ans. Mais ce que nous avons fait, c'est fournir la plate-forme matérielle. Le goulot d'étranglement pour la photonique est dans le matériau où les électrons et les photons peuvent se rencontrer sur la même échelle de longueur, et nous l'avons résolu."