Des recherches menées par le laboratoire Cavendish de l'Université de Cambridge ont identifié un matériau qui pourrait aider à lutter contre la vitesse et l'énergie, les deux plus grands défis pour les ordinateurs du futur.

La recherche dans le domaine de l'informatique basée sur la lumière - utilisant la lumière au lieu de l'électricité pour que le calcul dépasse les limites des ordinateurs d'aujourd'hui - avance rapidement, mais des obstacles subsistent dans le développement de la commutation optique, le processus par lequel la lumière serait facilement allumée et éteinte, réfléchissant ou transmettant la lumière à la demande.

L'étude, Publié dans Communication Nature , montre qu'un matériau appelé Ta 2 NiSe 5 pouvait basculer entre une fenêtre et un miroir en un quadrillionième de seconde lorsqu'il était frappé par une courte impulsion laser, ouvrant la voie au développement de la commutation ultra-rapide dans les ordinateurs du futur.

Le matériau ressemble à un morceau de mine de crayon et agit comme un isolant à température ambiante, ce qui signifie que lorsque la lumière infrarouge frappe le matériau dans cet état isolant, il passe tout droit comme une fenêtre. Cependant, lorsqu'il est chauffé, la matière devient un métal qui agit comme un miroir et réfléchit la lumière.

"Nous savions que Ta 2 NiSe 5 pouvait basculer entre une vitre et un miroir lorsqu'il était chauffé, mais chauffer un objet est un processus très lent, " a déclaré le Dr Akshay Rao, Chargé de cours à l'Université Harding au Laboratoire Cavendish, qui a dirigé la recherche. "Ce que nos expériences ont montré, c'est qu'une courte impulsion laser peut également déclencher ce "flip" en seulement 10 ^-15 secondes. C'est un million de fois plus rapide que les commutateurs de nos ordinateurs actuels."

Les chercheurs se sont penchés sur le comportement du matériau pour montrer l'existence d'une nouvelle phase de la matière appelée « isolant excitonique », qui a été expérimentalement difficile à trouver depuis qu'il a été théorisé pour la première fois dans les années 1960.

"Cette phase isolante excitonique ressemble à bien des égards à un isolant très normal, mais une façon de faire la distinction entre un isolant inhabituel et ordinaire est de voir exactement combien de temps il faut pour qu'il devienne un métal, " dit Rao. " Normalement, passer d'un isolant à un métal, c'est comme faire fondre un glaçon. Les atomes eux-mêmes déplacent des positions et se réarrangent, ce qui en fait un processus lent. Mais dans un isolant excitonique, cela pourrait se produire très rapidement car les atomes eux-mêmes n'ont pas besoin de se déplacer pour changer de phase. Si nous pouvions trouver un moyen de mesurer la vitesse à laquelle cette transition se produit, nous pourrions potentiellement démasquer l'isolant excitonique."

Pour faire ces expériences, les chercheurs ont utilisé une séquence d'impulsions laser très courtes pour d'abord perturber le matériau, puis mesurer l'évolution de sa réflexion. À température ambiante, ils ont constaté que lorsque Ta 2 NiSe 5 a été frappé par une puissante impulsion laser, il présentait immédiatement des signatures de l'état métallique, devenir un miroir sur une échelle de temps plus rapide qu'ils ne pourraient le résoudre. Cela a fourni des preuves solides de la nature isolante excitonique de Ta 2 NiSe 5 .

"Non seulement ce travail enlève le camouflage du matériau, ouvrant d'autres études sur son comportement inhabituel en mécanique quantique, il met également en évidence la capacité unique de ce matériau à agir comme un interrupteur ultrarapide, " a déclaré le premier auteur Hope Bretscher, également du Laboratoire Cavendish. "En réalité, pour que le commutateur optique soit efficace, non seulement il doit passer rapidement de la phase isolante à la phase métallique, mais le processus inverse doit également être rapide.

"Nous avons trouvé que Ta 2 NiSe 5 est revenu rapidement à un état isolant, beaucoup plus rapide que les autres matériaux de commutation candidats. Cette capacité à passer du miroir, à la fenêtre, pour refléter à nouveau, le rendent extrêmement attrayant pour les applications informatiques."

« La science est un processus complexe et évolutif, et nous pensons que nous avons pu faire avancer cette discussion. Non seulement nous pouvons maintenant mieux comprendre les propriétés de ce matériau, mais nous avons également découvert une application potentielle intéressante pour cela, " a déclaré le co-auteur, le professeur Ajay Sood, de l'Institut indien des sciences de Bangalore.

"Tout en produisant pratiquement des commutateurs quantiques avec Ta 2 NiSe 5 peut-être encore loin, avoir identifié une nouvelle approche pour relever le défi croissant de la vitesse et de la consommation d'énergie des ordinateurs est un développement passionnant, " dit Rao.