Une quête de longue date pour la science et la technologie a été de développer l'électronique et le traitement de l'information qui fonctionnent près des échelles de temps les plus rapides autorisées par les lois de la nature.

Une manière prometteuse d'atteindre cet objectif consiste à utiliser la lumière laser pour guider le mouvement des électrons dans la matière, puis à utiliser ce contrôle pour développer des éléments de circuit électronique, un concept connu sous le nom d'électronique à ondes lumineuses.

Remarquablement, les lasers nous permettent actuellement de générer des rafales d'électricité sur des échelles de temps femtosecondes, c'est-à-dire en un millionième de milliardième de seconde. Pourtant, notre capacité à traiter les informations dans ces délais ultrarapides est restée insaisissable.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Rochester et de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ont fait un pas décisif dans cette direction en démontrant une porte logique - la pierre angulaire du calcul et du traitement de l'information - qui fonctionne à des échelles de temps femtosecondes. L'exploit, rapporté dans la revue Nature , a été accompli en exploitant et en contrôlant indépendamment, pour la première fois, les porteurs de charge réels et virtuels qui composent ces rafales électriques ultrarapides.

Les avancées des chercheurs ont ouvert la porte au traitement de l'information à la limite du pétahertz, où un quadrillion d'opérations de calcul peut être traité par seconde. C'est presque un million de fois plus rapide que les ordinateurs actuels fonctionnant avec des fréquences d'horloge gigahertz, où 1 pétahertz équivaut à 1 million de gigahertz.

"C'est un excellent exemple de la façon dont la science fondamentale peut conduire à de nouvelles technologies", déclare Ignacio Franco, professeur agrégé de chimie et de physique à Rochester qui, en collaboration avec le doctorant Antonio José Garzón-Ramírez '21 (Ph.D.) , a réalisé les études théoriques qui ont conduit à cette découverte.

Les lasers génèrent des rafales d'électricité ultrarapides

Ces dernières années, les scientifiques ont appris à exploiter des impulsions laser qui durent quelques femtosecondes pour générer des rafales ultrarapides de courants électriques. Cela se fait, par exemple, en éclairant de minuscules fils à base de graphène reliant deux métaux d'or. L'impulsion laser ultracourte met en mouvement, ou « excite », les électrons du graphène et, surtout, les envoie dans une direction particulière, générant ainsi un courant électrique net.

Les impulsions laser peuvent produire de l'électricité beaucoup plus rapidement que n'importe quelle méthode traditionnelle, et ce en l'absence de tension appliquée. De plus, la direction et l'amplitude du courant peuvent être contrôlées simplement en faisant varier la forme de l'impulsion laser (c'est-à-dire en changeant sa phase).

La percée :exploiter les porteurs de charge réels et virtuels

Les groupes de recherche de Franco et de Peter Hommelhoff de la FAU travaillent depuis plusieurs années pour transformer les ondes lumineuses en impulsions de courant ultrarapides.

En essayant de concilier les mesures expérimentales à Erlangen avec des simulations informatiques à Rochester, l'équipe a réalisé :dans les jonctions or-graphène-or, il est possible de générer deux saveurs - "réelles" et "virtuelles" - des particules portant le les charges qui composent ces bouffées d'électricité.

• Les "vrais" porteurs de charge sont des électrons excités par la lumière qui restent en mouvement directionnel même après l'arrêt de l'impulsion laser.
• Les porteurs de charge "virtuels" sont des électrons qui ne sont mis en mouvement directionnel net que lorsque l'impulsion laser est activée. En tant que telles, ce sont des espèces insaisissables qui ne vivent que de manière transitoire pendant l'illumination.

Parce que le graphène est connecté à l'or, les porteurs de charge réels et virtuels sont absorbés par le métal pour produire un courant net.

Étonnamment, l'équipe a découvert qu'en modifiant la forme de l'impulsion laser, elle pouvait générer des courants où seuls les porteurs de charge réels ou virtuels jouent un rôle. En d'autres termes, ils ont non seulement généré deux saveurs de courants, mais ils ont également appris à les contrôler indépendamment, une découverte qui augmente considérablement les éléments de conception de l'électronique à ondes lumineuses.

Portes logiques par lasers

En utilisant ce paysage de contrôle augmenté, l'équipe a pu démontrer expérimentalement, pour la première fois, des portes logiques qui fonctionnent sur une échelle de temps femtoseconde.

Les portes logiques sont les blocs de construction de base nécessaires aux calculs. Ils contrôlent la façon dont les informations entrantes, qui prennent la forme de 0 ou 1 (appelés bits), sont traitées. Les portes logiques nécessitent deux signaux d'entrée et produisent une sortie logique.

Dans l'expérience des chercheurs, les signaux d'entrée sont la forme ou la phase de deux impulsions laser synchronisées, chacune choisie pour générer uniquement une rafale de porteurs de charge réels ou virtuels. Selon les phases laser utilisées, ces deux contributions aux courants peuvent s'additionner ou s'annuler. Le signal électrique net peut se voir attribuer une information logique 0 ou 1, ce qui donne une porte logique ultrarapide.

"Il faudra probablement très longtemps avant que cette technique puisse être utilisée dans une puce informatique, mais au moins nous savons maintenant que l'électronique à ondes lumineuses est pratiquement possible", déclare Tobias Boolakee, qui a dirigé les efforts expérimentaux en tant que doctorant. étudiant à la FAU.

"Nos résultats ouvrent la voie à l'électronique ultrarapide et au traitement de l'information", déclare Garzón-Ramírez '21 (Ph.D.), maintenant chercheur postdoctoral à l'Université McGill.

"Ce qui est étonnant avec cette porte logique", dit Franco, "c'est que les opérations ne sont pas effectuées en gigahertz, comme dans les ordinateurs ordinaires, mais en pétahertz, qui sont un million de fois plus rapides. C'est à cause des impulsions laser très courtes utilisées qui se produisent en un millionième de milliardième de seconde."

Des fondamentaux aux applications

Cette nouvelle technologie potentiellement transformatrice est née d'études fondamentales sur la façon dont la charge peut être entraînée dans des systèmes à l'échelle nanométrique avec des lasers.

"Grâce à la théorie fondamentale et à sa connexion avec les expériences, nous avons clarifié le rôle des porteurs de charge virtuels et réels dans les courants induits par laser, et cela a ouvert la voie à la création de portes logiques ultrarapides", déclare Franco.

L'étude représente plus de 15 ans de recherche par Franco. En 2007, en tant que doctorat. étudiant à l'Université de Toronto, il a conçu une méthode pour générer des courants électriques ultrarapides dans des fils moléculaires exposés à des impulsions laser femtosecondes. Cette proposition initiale a ensuite été mise en œuvre à titre expérimental en 2013 et le mécanisme détaillé derrière les expériences a été expliqué par le groupe Franco dans une étude de 2018. Depuis lors, il y a eu ce que Franco appelle une croissance expérimentale et théorique "explosive" dans ce domaine.

"C'est un domaine où la théorie et les expériences se défient et, ce faisant, dévoilent de nouvelles découvertes fondamentales et des technologies prometteuses", dit-il. + Explorer plus loin

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