De nouveaux métamatériaux transparents en cours de développement pourraient rendre possibles des puces informatiques et des circuits d'interconnexion qui utilisent la lumière au lieu des électrons pour traiter et transmettre des données, représentant un saut potentiel de performance.

Bien que les fibres optiques soient maintenant utilisées pour transmettre de grandes quantités de données sur de grandes distances, la technologie ne peut pas être facilement miniaturisée car la longueur d'onde de la lumière est trop grande pour tenir dans les dimensions minuscules des microcircuits.

"Le rôle des fibres optiques est de guider la lumière d'un point A à un point B, En réalité, à travers les continents, " dit Zubin Jacob, professeur adjoint de génie électrique et informatique à l'Université Purdue. "Le plus grand avantage de faire cela par rapport aux câbles en cuivre est qu'il a une bande passante très élevée, de grandes quantités de données peuvent donc passer par ces câbles optiques, par opposition aux fils de cuivre. Cependant, sur nos ordinateurs et appareils électroniques grand public, nous utilisons toujours des fils de cuivre entre les différentes parties de la puce. La raison en est que vous ne pouvez pas confiner la lumière à la même taille qu'un fil de cuivre nanométrique."

Métamatériaux transparents, médias artificiels nanostructurés avec des blocs de construction transparents, permettent un contrôle sans précédent de la lumière et peuvent représenter une solution. Les chercheurs progressent dans le développement de métamatériaux qui rétrécissent la longueur d'onde de la lumière, pointant vers une stratégie pour utiliser la lumière au lieu des électrons pour traiter et transmettre des données dans des puces informatiques.

"Si vous avez une communication à très haut débit sur la puce ainsi que des circuits d'interconnexion entre les puces, vous pouvez aller à des vitesses d'horloge plus rapides, traitement des données donc plus rapide, " a déclaré Jacob. Une telle avancée pourrait permettre de réduire l'encombrement d'un cluster d'ordinateurs hautes performances à la taille d'une machine de bureau standard.

Contrairement à certains des métamatériaux en cours de développement, qui reposent sur l'utilisation de métaux nobles tels que l'or et l'argent, les nouveaux métamatériaux sont entièrement constitués de matériaux diélectriques, ou des isolants et des non-métaux. Cette approche pourrait permettre aux chercheurs de surmonter une limitation majeure rencontrée jusqu'à présent dans le développement de technologies basées sur les métamatériaux :l'utilisation de métaux entraîne une perte de lumière trop importante pour être pratique pour de nombreuses applications.

Un article de synthèse sur les métamatériaux entièrement diélectriques est paru en ligne ce mois-ci dans la revue Nature Nanotechnologie , mettant en évidence le développement rapide de ce nouveau domaine de recherche. L'article a été rédigé par le doctorant Saman Jahani et Jacob.

"Un facteur clé est que nous n'utilisons pas du tout de métaux dans ce métamatériau, car si vous utilisez des métaux, une grande partie de la lumière se réchauffe et est perdue, ", a déclaré Jacob. "Nous voulons tout apporter à la plate-forme de silicium car c'est le meilleur matériau pour intégrer des dispositifs électroniques et photoniques sur la même puce."

Un détail critique est la "vitesse anisotrope" du matériau - ce qui signifie que la lumière est transmise beaucoup plus rapidement dans une direction à travers le matériau que dans une autre. Les matériaux conventionnels transmettent la lumière à presque la même vitesse, quelle que soit la direction dans laquelle elle se déplace à travers le matériau.

"La partie délicate de ce travail est que nous exigeons que le matériau soit hautement anisotrope, " dit-il. " Ainsi, dans une direction, la lumière se déplace presque aussi vite que dans le vide, et dans l'autre sens il se déplace comme dans le silicium, ce qui est environ quatre fois plus lent."

L'innovation pourrait permettre de modifier un phénomène appelé « réflexion interne totale, " le principe actuellement utilisé pour guider la lumière dans les fibres optiques. Les chercheurs travaillent à l'ingénierie de la réflexion interne totale dans les fibres optiques entourées par le nouveau métamatériau à base de silicium.

"Notre contribution a été essentiellement le fait que nous avons pu adapter ce phénomène de réflexion interne totale jusqu'à l'échelle nanométrique, ce qui était conventionnellement considéré comme impossible, " dit Jacob.

Parce que le matériau est transparent, il convient à la transmission de la lumière, ce qui est un problème critique pour les applications pratiques des appareils. L'approche pourrait réduire l'échauffement dans les circuits, ce qui signifie que moins d'énergie serait nécessaire pour faire fonctionner les appareils. Une telle innovation pourrait à terme apporter des unités de traitement de données miniaturisées.

"Une autre application fascinante de ces métamatériaux transparents est l'amélioration du couplage lumière-matière pour les émetteurs de lumière quantiques uniques, " dit Jacob. " La taille des ondes lumineuses à l'intérieur d'une fibre est trop grande pour interagir efficacement avec de minuscules atomes et molécules. Le revêtement transparent en métamatériau peut comprimer les ondes lumineuses à des valeurs inférieures à la longueur d'onde, permettant ainsi à la lumière d'interagir efficacement avec les objets quantiques. Cela peut ouvrir la voie à des sources lumineuses au niveau du photon unique."