(Phys.org) —Un commutateur optique ultra-rapide et ultra-petit a été inventé qui pourrait faire avancer le jour où les photons remplaceront les électrons dans les entrailles des produits de consommation allant des téléphones portables aux automobiles.

Le nouveau dispositif optique peut s'allumer et s'éteindre des milliards de fois par seconde. Il se compose de commutateurs individuels qui ne mesurent que cinq centièmes de la largeur d'un cheveu humain (200 nanomètres) de diamètre. Cette taille est beaucoup plus petite que la génération actuelle de commutateurs optiques et elle brise facilement l'un des principaux obstacles techniques à la diffusion des dispositifs électroniques de détection et de contrôle de la lumière :la miniaturisation de la taille des commutateurs optiques ultrarapides.

Le nouvel appareil a été développé par une équipe de scientifiques de l'Université Vanderbilt, Université d'Alabama-Birmingham, et Los Alamos National Laboratory et est décrit dans le numéro du 12 mars de la revue Nano lettres .

L'interrupteur ultrarapide est fabriqué à partir d'un matériau artificiel conçu pour avoir des propriétés que l'on ne trouve pas dans la nature. Dans ce cas, le « métamatériau » est constitué de particules nanométriques de dioxyde de vanadium (VO 2 ) – un solide cristallin qui peut rapidement basculer entre un opaque, phase métallique et un transparent, phase semi-conductrice - qui sont déposées sur un substrat de verre et recouvertes d'un "nanomesh" de minuscules nanoparticules d'or.

Les scientifiques rapportent que le bain de ces nanoparticules dorées avec de brèves impulsions d'un laser ultrarapide génère des électrons chauds dans le nanomesh d'or qui sautent dans le dioxyde de vanadium et lui font subir son changement de phase en quelques billions de seconde.

"Nous avions précédemment déclenché cette transition dans les nanoparticules de dioxyde de vanadium directement avec des lasers et nous voulions voir si nous pouvions également le faire avec des électrons, " a déclaré Richard Haglund, Stevenson professeur de physique à Vanderbilt, qui a dirigé l'étude. "Non seulement ça marche, mais l'injection d'électrons chauds à partir des nanoparticules d'or déclenche également la transformation avec un cinquième à un dixième de l'apport d'énergie requis en braquant le laser directement sur le VO nu 2 ."

L'industrie et le gouvernement investissent massivement dans les efforts d'intégration de l'optique et de l'électronique, car elle est généralement considérée comme la prochaine étape dans l'évolution des technologies de l'information et des communications. Intel, Hewlett-Packard et IBM ont construit des puces avec des fonctionnalités optiques croissantes au cours des cinq dernières années qui fonctionnent à des vitesses de gigahertz, un millième de celui de la VO 2 changer.

« Les commutateurs au dioxyde de vanadium ont un certain nombre de caractéristiques qui les rendent idéaux pour les applications optoélectroniques, " a déclaré Haglund. En plus de leur vitesse rapide et de leur petite taille, elles ou ils:

• Sont totalement compatibles avec la technologie actuelle des circuits intégrés, les puces à base de silicium et les nouveaux matériaux « diélectriques à K élevé » que l'industrie des semi-conducteurs est en train de développer pour poursuivre le processus de miniaturisation qui a été un aspect majeur du développement de la technologie microélectronique ;
• Opérer dans la région visible et proche infrarouge du spectre qui est optimale pour les applications de télécommunications ;
• Générez une quantité de chaleur par opération suffisamment faible pour que les commutateurs puissent être suffisamment serrés pour fabriquer des appareils pratiques :environ dix billions de calorie (100 femtojoules) par bit.

"Les propriétés étonnantes du dioxyde de vanadium sont connues depuis plus d'un demi-siècle. Chez Vanderbilt, nous avons étudié la VO 2 nanoparticules depuis dix ans, mais le matériel a été remarquablement réussi à résister aux explications théoriques, " a déclaré Haglund. "Ce n'est qu'au cours des dernières années que des études informatiques intensives ont éclairé la physique qui sous-tend sa transition semi-conducteur à métal."

Les étudiants diplômés de Vanderbilt Kannatassen Appavoo et Joyeeta Nag ont fabriqué le métamatériau à Vanderbilt; Appavoo s'est associé à l'Université d'Alabama, L'étudiant diplômé de Birmingham Nathaniel Brady et le professeur David Hilton pour mener à bien les expériences laser ultrarapides sous la direction du scientifique du Laboratoire national de Los Alamos, Rohit Prasankumar, et de la chercheuse postdoctorale Minah Seo. Les études théoriques et informatiques qui ont aidé à élucider le mécanisme complexe de la transition de phase à l'échelle nanométrique ont été menées par les étudiants postdoctoraux Bin Wang et Sokrates Pantelides, Professeur émérite de physique et d'ingénierie à Vanderbilt.