Lumière émise par le dessous de la cavité. Les contours en pointillés représentent l'orientation du nanofil de séléniure de cadmium.
La course pour rendre les composants informatiques plus petits et plus rapides et utiliser moins d'énergie repousse les limites des propriétés des électrons dans un matériau. Les systèmes photoniques pourraient éventuellement remplacer les systèmes électroniques, mais les bases du calcul, mélanger deux entrées en une seule sortie, nécessitent actuellement trop d'espace et de puissance lorsqu'il est fait avec de la lumière.
Des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont conçu un système de nanofils qui pourrait ouvrir la voie à cette capacité, combiner deux ondes lumineuses pour produire une troisième avec une fréquence différente et utiliser une cavité optique pour amplifier l'intensité de la sortie à un niveau utilisable.
L'étude a été dirigée par Ritesh Agarwal, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la Penn's School of Engineering and Applied Science, et Ming-Liang Ren, chercheur post-doctoral dans son laboratoire. D'autres membres du laboratoire Agarwal, Wenjing Liu, Carlos O. Aspetti et Liaoxin Sun, contribué à l'étude.
Il a été publié en Communication Nature .
Les systèmes informatiques actuels représentent des bits d'information - les 1 et les 0 du code binaire - avec de l'électricité. Éléments de circuits, comme les transistors, opérer sur ces signaux électriques, produisant des sorties qui dépendent de leurs entrées.
"Mélanger deux signaux d'entrée pour obtenir une nouvelle sortie est la base du calcul, " dit Agarwal. " C'est facile à faire avec des signaux électriques, mais ce n'est pas facile à faire avec la lumière, car les ondes lumineuses n'interagissent normalement pas les unes avec les autres."
Un schéma de la cavité optique.
La difficulté inhérente à « mélanger » la lumière peut sembler contre-intuitive, étant donné la gamme de couleurs à la télévision ou à l'écran d'ordinateur qui sont produites uniquement par des combinaisons de rouge, pixels verts et bleus. Les jaunes, oranges et violets que font ces étalages, cependant, sont une astuce de perception, pas de physique. La lumière rouge et bleue est simplement ressentie simultanément, plutôt que combinés en une seule longueur d'onde violette.
Les matériaux dits « non linéaires » sont capables de ce genre de mélange, mais même les meilleurs candidats de cette catégorie ne sont pas encore viables pour les applications de calcul en raison de contraintes de puissance élevée et de volume important.
"Un matériau non linéaire, un tel sulfure de cadmium, peut changer la fréquence, et donc la couleur, de lumière qui la traverse, " Ren dit, "mais vous avez besoin d'un laser puissant, et, Toutefois, le matériau doit être de plusieurs micromètres et même jusqu'à quelques millimètres d'épaisseur. Cela ne fonctionne pas pour une puce informatique."
Pour réduire le volume du matériau et la puissance de la lumière nécessaire pour faire un mixage de signal utile, les chercheurs avaient besoin d'un moyen d'amplifier l'intensité d'une onde lumineuse lorsqu'elle traversait un nanofil de sulfure de cadmium.
Les chercheurs y sont parvenus grâce à une ingénieuse ingénierie optique :en enveloppant partiellement le nanofil dans une coque en argent qui agit comme une chambre d'écho. Le groupe d'Agarwal avait déjà utilisé une conception similaire dans le but de créer des dispositifs photoniques pouvant s'allumer et s'éteindre très rapidement. Cette qualité reposait sur un phénomène connu sous le nom de résonance plasmonique de surface, mais, en changeant la polarisation de la lumière à son entrée dans le nanofil, les chercheurs ont pu mieux le confiner à la modification de fréquence, partie non linéaire du dispositif :le noyau de nanofil.
"En concevant la structure de manière à ce que la lumière soit principalement contenue dans le sulfure de cadmium plutôt qu'à l'interface entre celui-ci et la coque en argent, on peut maximiser l'intensité tout en générant la seconde harmonique, " dit Ren.
Comme une seconde harmonique jouée sur une corde de guitare, cela signifiait doubler la fréquence de l'onde lumineuse. L'information dans un système informatique photonique pourrait être codée dans la fréquence d'une onde, ou le nombre d'oscillations qu'il fait en une seconde. Être capable de manipuler cette qualité d'une vague à l'autre permet d'avoir les bases de la logique informatique.
"Nous voulons montrer que nous pouvons additionner deux fréquences de lumière, "Agarwal a dit, "donc nous avons simplifié l'expérience. En prenant une fréquence et en l'ajoutant à elle-même, vous obtenez le double de la fréquence à la fin. Finalement, nous voulons pouvoir régler la lumière sur la fréquence nécessaire, ce qui peut être fait en modifiant la taille du nanofil et de la coque."
Le plus important, cependant, était que ce mélange de fréquences était possible à l'échelle nanométrique avec une très grande efficacité. La cavité optique des chercheurs a pu augmenter l'intensité de l'onde de sortie de plus de mille fois.
« L'efficacité de changement de fréquence du sulfure de cadmium est intrinsèque au matériau, mais cela dépend du volume de matière traversée par l'onde, " dit Agarwal. " En ajoutant la coquille d'argent, nous pouvons réduire considérablement le volume nécessaire pour obtenir un signal utilisable et pousser la taille de l'appareil à l'échelle nanométrique."
