Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT) ont pour la première fois démontré expérimentalement que les composants nanophotoniques en cuivre peuvent fonctionner avec succès dans les dispositifs photoniques – on pensait auparavant que seuls les composants en or et en argent pouvaient le faire. Les composants en cuivre ne sont pas seulement aussi bons que les composants à base de métaux nobles; ils peuvent également être facilement mis en œuvre dans des circuits intégrés à l'aide de procédés de fabrication standard. "C'est une sorte de révolution - l'utilisation du cuivre résoudra l'un des principaux problèmes de la nanophotonique, " disent les auteurs de l'article. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Lettres nano .

La découverte, révolutionnaire pour la photonique et les ordinateurs du futur, a été réalisée par des chercheurs du Laboratoire de nanooptique et plasmonique du Centre d'optoélectronique à l'échelle nanométrique du MIPT. Ils ont réussi, pour la première fois, dans la production de composants nanophotoniques en cuivre, dont les caractéristiques sont tout aussi bonnes que celles des composants en or. Il est intéressant de noter que les scientifiques ont fabriqué les composants en cuivre en utilisant le processus compatible avec les technologies de fabrication standard de l'industrie qui sont utilisées aujourd'hui pour produire des circuits intégrés modernes. Cela signifie que dans un avenir très proche, les composants nanophotoniques en cuivre constitueront une base pour le développement de sources lumineuses économes en énergie, capteurs ultra-sensibles, ainsi que des processeurs optoélectroniques hautes performances avec plusieurs milliers de cœurs.

La découverte a été faite sous ce qu'on appelle la nanophotonique - une branche de recherche qui vise, entre autres, remplacer les composants existants dans les dispositifs de traitement de données par des composants plus modernes en utilisant des photons au lieu d'électrons. Cependant, tandis que les transistors peuvent être réduits en taille à quelques nanomètres, la diffraction de la lumière limite les dimensions minimales des composants photoniques à environ la longueur d'onde de la lumière (~1 micromètre). Malgré le caractère fondamental de cette limite dite de diffraction, on peut le surmonter en utilisant des structures métal-diélectriques pour créer des composants photoniques véritablement nanométriques. Premièrement, la plupart des métaux présentent une permittivité négative aux fréquences optiques, et la lumière ne peut pas se propager à travers eux, pénétrant à une profondeur de seulement 25 nanomètres. Deuxièmement, la lumière peut être convertie en polaritons de plasmons de surface, ondes de surface se propageant le long de la surface d'un métal. Cela permet de passer de la photonique 3D conventionnelle à la photonique 2D à plasmons de surface, qui est connu sous le nom de plasmonique. Cela offre la possibilité de contrôler la lumière à une échelle d'environ 100 nanomètres, c'est à dire., bien au-delà de la limite de diffraction.

On pensait auparavant que seuls deux métaux - l'or et l'argent - pouvaient être utilisés pour construire des nanostructures métal-diélectriques nanophotoniques efficaces et on pensait également qu'aucun autre métal ne pouvait remplacer ces deux matériaux, car ils présentent une forte absorption. Cependant, en pratique, la création de composants à l'aide d'or et d'argent n'est pas possible car ces métaux, tous deux nobles, ne pas entrer dans des réactions chimiques, et il est donc extrêmement difficile, coûteux et dans de nombreux cas impossibles à utiliser pour créer des nanostructures – la base de la photonique moderne.

Des chercheurs du laboratoire de nanooptique et plasmonique du MIPT ont trouvé une solution au problème. Sur la base d'une généralisation de la théorie des métaux dits plasmoniques, en 2012, ils ont découvert que le cuivre en tant que matériau optique peut non seulement rivaliser avec l'or, cela peut aussi être une meilleure alternative. Contrairement à l'or, le cuivre peut être facilement structuré par gravure humide ou sèche. Cela offre la possibilité de réaliser des composants nanométriques qui s'intègrent facilement dans des circuits intégrés photoniques ou électroniques en silicium. Il a fallu plus de deux ans aux chercheurs pour acheter l'équipement nécessaire, développer le processus de fabrication, produire des échantillons, effectuer plusieurs mesures indépendantes, et confirmer expérimentalement cette hypothèse. "Par conséquent, nous avons réussi à fabriquer des puces en cuivre dont les propriétés optiques ne sont en rien inférieures aux puces à base d'or, ", explique le responsable de la recherche Dmitry Fedyanin. "En outre, nous avons réussi à le faire dans un procédé de fabrication compatible avec la technologie CMOS, qui est la base de tous les circuits intégrés modernes, y compris les microprocesseurs. C'est une sorte de révolution en nanophotonique".

Les chercheurs notent que les propriétés optiques des films minces de cuivre polycristallin sont déterminées par leur structure interne. La capacité de contrôler cette structure et de reproduire de manière cohérente les paramètres requis dans les cycles technologiques est la tâche la plus difficile. Cependant, ils ont réussi à résoudre ce problème, démontrant qu'il est possible non seulement d'obtenir les propriétés requises avec le cuivre, mais aussi que cela peut être fait dans des composants nanométriques, qui peut être intégré à la nanoélectronique au silicium et à la nanophotonique au silicium. "Nous avons effectué une ellipsométrie des films de cuivre, puis confirmé ces résultats en utilisant la microscopie optique à balayage en champ proche des nanostructures. Cela prouve que les propriétés du cuivre ne sont pas altérées pendant tout le processus de fabrication des composants plasmoniques nanométriques, " dit Dmitri Fedyanin.

Ces études fournissent une base pour l'utilisation pratique des composants nanophotoniques et plasmoniques du cuivre, qui dans un futur très proche serviront à créer des LED, nanolasers, capteurs et transducteurs hautement sensibles pour appareils mobiles, et des processeurs optoélectroniques hautes performances avec plusieurs dizaines de milliers de cœurs pour cartes graphiques, Ordinateur personnel, et des supercalculateurs.