Une vue à l'échelle nanométrique du nouveau système fluorescent ultrarapide à l'aide d'un microscope électronique à transmission. Le cube d'argent ne mesure que 75 nanomètres de large. Les points quantiques (rouges) sont pris en sandwich entre le cube d'argent et une fine feuille d'or. Crédit :Maiken Mikkelsen, université de Duke
Les chercheurs ont développé un dispositif électroluminescent ultrarapide qui peut s'allumer et s'éteindre 90 milliards de fois par seconde et pourrait constituer la base de l'informatique optique.
À son niveau le plus élémentaire, la batterie de votre smartphone alimente des milliards de transistors en utilisant des électrons pour s'allumer et s'éteindre des milliards de fois par seconde. Mais si les micropuces pouvaient utiliser des photons au lieu d'électrons pour traiter et transmettre des données, les ordinateurs pourraient fonctionner encore plus rapidement.
Mais les ingénieurs doivent d'abord construire une source de lumière qui peut être allumée et éteinte aussi rapidement. Alors que les lasers peuvent répondre à cette exigence, ils sont trop gourmands en énergie et encombrants pour être intégrés dans des puces informatiques.
Les chercheurs de l'Université Duke sont maintenant un pas de plus vers une telle source de lumière. Dans une nouvelle étude, une équipe de la Pratt School of Engineering a poussé les points quantiques semi-conducteurs à émettre de la lumière à plus de 90 gigahertz. Ce dispositif dit plasmonique pourrait un jour être utilisé dans des puces de calcul optiques ou pour la communication optique entre des puces électroniques traditionnelles.
L'étude a été publiée en ligne le 27 juillet dans Communication Nature .
"C'est quelque chose que la communauté scientifique veut faire depuis longtemps, " a déclaré Maiken Mikkelsen, professeur adjoint de génie électrique et informatique et de physique à Duke. « Nous pouvons maintenant commencer à réfléchir à la fabrication d'appareils à commutation rapide sur la base de cette recherche, il y a donc beaucoup d'enthousiasme à propos de cette manifestation. »
Le nouveau record de vitesse a été établi en utilisant la plasmonique. Lorsqu'un laser éclaire la surface d'un cube d'argent d'à peine 75 nanomètres de large, les électrons libres à sa surface commencent à osciller ensemble en une onde. Ces oscillations créent leur propre lumière, qui réagit à nouveau avec les électrons libres. L'énergie piégée à la surface du nanocube de cette manière est appelée plasmon.
De gauche à droite :Gleb Akselrod, Maiken Mikkelsen, et Thang Hoang. Crédit :Université Duke
Le plasmon crée un champ électromagnétique intense entre le nanocube d'argent et une fine feuille d'or placée à seulement 20 atomes de distance. Ce champ interagit avec des points quantiques – des sphères de matériau semi-conducteur de seulement six nanomètres de large – qui sont pris en sandwich entre le nanocube et l'or. Les points quantiques, à son tour, produire une directionnelle, émission efficace de photons pouvant être activés et désactivés à plus de 90 gigahertz.
« Il y a un grand intérêt à remplacer les lasers par des LED pour la communication optique à courte distance, mais ces idées ont toujours été limitées par le faible taux d'émission des matériaux fluorescents, manque d'efficacité et incapacité à diriger les photons, " dit Gleb Akselrod, une recherche postdoctorale dans le laboratoire de Mikkelsen. "Maintenant, nous avons fait un pas important vers la résolution de ces problèmes."
"L'objectif à terme est d'intégrer notre technologie dans un dispositif qui peut être excité soit optiquement, soit électriquement, " dit Thang Hoang, également chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Mikkelsen. "C'est quelque chose que je pense que tout le monde, y compris les agences de financement, pousse assez fort pour."
Le groupe travaille maintenant à utiliser la structure plasmonique pour créer une source de photons unique - une nécessité pour des communications quantiques extrêmement sécurisées - en prenant en sandwich un seul point quantique dans l'espace entre le nanocube d'argent et la feuille d'or. Ils essaient également de placer et d'orienter avec précision les points quantiques pour créer les taux de fluorescence les plus rapides possibles.
Outre ses impacts technologiques potentiels, la recherche démontre que les matériaux bien connus n'ont pas besoin d'être limités par leurs propriétés intrinsèques.
"En adaptant l'environnement autour d'un matériau, comme nous l'avons fait ici avec les semi-conducteurs, nous pouvons créer de nouveaux matériaux design avec presque toutes les propriétés optiques que nous désirons, ", a déclaré Mikkelsen. "Et c'est un domaine émergent auquel il est fascinant de penser."
