Une nouvelle combinaison de matériaux peut guider efficacement l'électricité et la lumière le long du même petit fil, une découverte qui pourrait être une étape vers la construction de puces informatiques capables de transporter des informations numériques à la vitesse de la lumière.

Reportage aujourd'hui dans le journal à fort impact de The Optical Society (OSA) Optique , des scientifiques en optique et en matériaux de l'Université de Rochester et de l'Institut fédéral suisse de technologie de Zurich décrivent un circuit modèle de base composé d'un nanofil d'argent et d'un flocon monocouche de bisulfure de molybendum (MoS2).

En utilisant un laser pour exciter des ondes électromagnétiques appelées plasmons à la surface du fil, les chercheurs ont découvert que le flocon de MoS2 à l'extrémité du fil générait une forte émission de lumière. Aller dans l'autre sens, au fur et à mesure que les électrons excités se détendent, ils ont été collectés par le fil et reconvertis en plasmons, qui émet une lumière de même longueur d'onde.

"Nous avons découvert qu'il existe une interaction lumière-matière à l'échelle nanométrique prononcée entre les plasmons et un matériau atomiquement mince qui peut être exploité pour les circuits intégrés nanophotoniques, " a déclaré Nick Vamivakas, professeur adjoint d'optique quantique et de physique quantique à l'Université de Rochester et auteur principal de l'article.

En règle générale, environ un tiers de l'énergie restante serait perdu tous les quelques microns (millionièmes de mètre) que les plasmons ont parcouru le long du fil, a expliqué Kenneth Goodfellow, un étudiant diplômé à l'Institut d'optique de Rochester et auteur principal du Optique papier.

"C'était surprenant de voir qu'il restait assez d'énergie après l'aller-retour, " a déclaré Goodfellow.

Les appareils photoniques peuvent être beaucoup plus rapides que les appareils électroniques, mais ils sont plus volumineux car les appareils qui focalisent la lumière ne peuvent pas être miniaturisés aussi bien que les circuits électroniques, dit Goodfellow. Les nouveaux résultats sont prometteurs pour guider la transmission de la lumière, et maintenir l'intensité du signal, en très petites dimensions.

Depuis la découverte du graphène, une seule couche de carbone qui peut être extraite du graphite avec du ruban adhésif, les scientifiques ont rapidement exploré le monde des matériaux bidimensionnels. Ces matériaux ont des propriétés uniques que l'on ne voit pas dans leur forme en vrac.

Comme le graphène, Le MoS2 est constitué de couches faiblement liées les unes aux autres, afin qu'ils puissent être facilement séparés. En vrac MoS2, les électrons et les photons interagissent comme ils le feraient dans les semi-conducteurs traditionnels comme le silicium et l'arséniure de gallium. Comme MoS2 est réduit à des couches de plus en plus minces, le transfert d'énergie entre les électrons et les photons devient plus efficace.

La clé des propriétés photoniques souhaitables du MoS2 réside dans la structure de sa bande interdite énergétique. Au fur et à mesure que le nombre de couches du matériau diminue, il passe d'une bande interdite indirecte à une bande interdite directe, qui permet aux électrons de se déplacer facilement entre les bandes d'énergie en libérant des photons. Le graphène est inefficace à l'émission de lumière car il n'a pas de bande interdite.

La combinaison de l'électronique et de la photonique sur les mêmes circuits intégrés pourrait considérablement améliorer les performances et l'efficacité de la technologie mobile. Les chercheurs disent que la prochaine étape consiste à démontrer leur circuit primitif avec des diodes électroluminescentes.