Les scientifiques ont découvert de nouvelles particules qui pourraient être au cœur d'une future révolution technologique basée sur les circuits photoniques, menant au ultra-rapide, informatique basée sur la lumière.

La technologie informatique actuelle est basée sur l'électronique, où les électrons sont utilisés pour coder et transporter des informations.

En raison de certaines limitations fondamentales, comme les pertes d'énergie par chauffage résistif, il est prévu que les électrons devront éventuellement être remplacés par des photons, conduisant à des ordinateurs futuristes basés sur la lumière qui sont beaucoup plus rapides et plus efficaces que les ordinateurs électroniques actuels.

Les physiciens de l'Université d'Exeter ont fait un pas important vers cet objectif, car ils ont découvert de nouvelles particules mi-matière mi-lumière qui héritent de certaines des caractéristiques remarquables du graphène.

Cette découverte ouvre la porte au développement de circuits photoniques utilisant ces particules alternatives, dit polaritons de Dirac sans masse, pour transporter des informations plutôt que des électrons.

Les polaritons de Dirac émergent dans les métasurfaces en nid d'abeille, qui sont des matériaux ultra-minces qui sont conçus pour avoir une structure à l'échelle nanométrique, beaucoup plus petite que la longueur d'onde de la lumière.

Une caractéristique unique des particules de Dirac est qu'elles imitent des particules relativistes sans masse, leur permettant de voyager très efficacement. Ce fait fait du graphène l'un des matériaux les plus conducteurs connus de l'homme.

Cependant, malgré leurs propriétés extraordinaires, il est très difficile de les contrôler. Par exemple, dans le graphène, il est impossible d'allumer/éteindre des courants électriques en utilisant un simple potentiel électrique, empêchant ainsi la mise en œuvre potentielle du graphène dans les appareils électroniques.

Cet inconvénient fondamental - le manque d'accordabilité - a été surmonté avec succès d'une manière unique par les physiciens de l'Université d'Exeter.

Charlie Ray Mann, l'auteur principal de l'article publié dans Communication Nature , explique :« Pour le graphène, il faut généralement modifier le réseau en nid d'abeille pour changer ses propriétés, par exemple en tendant le treillis en nid d'abeille, ce qui est extrêmement difficile à faire de manière contrôlable."

"La principale différence ici est que les polaritons de Dirac sont des particules hybrides, un mélange de composants de lumière et de matière. C'est cette nature hybride qui nous offre un moyen unique d'ajuster leurs propriétés fondamentales, en manipulant uniquement leur composante lumineuse, quelque chose qui est impossible à faire avec le graphène."

Les chercheurs montrent qu'en incorporant la métasurface en nid d'abeille entre deux miroirs réfléchissants et en modifiant la distance entre eux, on peut régler les propriétés fondamentales des polaritons de Dirac d'une manière simple, façon contrôlable et réversible.

« Nos travaux ont des implications cruciales pour les domaines de recherche de la photonique et des particules de Dirac, " ajoute le Dr Eros Mariani, chercheur principal de l'étude.

"Nous avons montré la capacité de ralentir voire d'arrêter les particules de Dirac, et modifier leur structure interne, leur chiralité, en termes techniques, ce qui est impossible à faire dans le graphène lui-même"

"Les réalisations de nos travaux constitueront une étape clé dans la révolution des circuits photoniques."

L'étude "Manipulating type-I and type-II Dirac polaritons in cavité-embedded honeycomb metasurfaces" (DOI:10.1038/s41467-018-03982-7) a été publiée dans Communication Nature .