Les architectures microélectroniques traditionnelles, avec des transistors pour contrôler les courants électriques le long des fils, alimentent tout, des ordinateurs avancés aux appareils du quotidien.
Mais comme les circuits intégrés offrent des rendements décroissants en termes de vitesse et d'adaptabilité, les scientifiques du Laboratoire national de Los Alamos développent des systèmes basés sur la lumière à l'échelle nanométrique qui pourraient permettre des percées dans la microélectronique ultrarapide, la détection infrarouge à température ambiante (par exemple, la vision nocturne) et une grande variété d'applications technologiques.
"La plupart des technologies modernes, des ordinateurs aux applications telles que la récupération d'énergie, reposent sur la capacité de déplacer des électrons", a déclaré Jacob Pettine, physicien de Los Alamos au Center for Integrated Nanotechnologies (CINT). "Mais la manière dont nous contrôlons ce flux de charges reste très limitée par les matériaux et structures conventionnels."
Comme décrit dans un article qui vient d'être publié dans Nature , l’équipe de recherche a conçu et fabriqué des structures d’or asymétriques de taille nanométrique sur une couche atomiquement mince de graphène. Les structures en or sont surnommées « nanoantennes » en raison de la façon dont elles captent et focalisent les ondes lumineuses, formant des « points chauds » optiques qui excitent les électrons dans le graphène. Seuls les électrons du graphène très proches des points chauds sont excités, le reste du graphène restant beaucoup moins excité.
L’équipe de recherche a adopté une forme de larme de nanoantennes en or, où la rupture de la symétrie d’inversion définit une directionnalité le long de la structure. Les points chauds sont situés uniquement aux extrémités pointues des nanoantennes, conduisant à une voie sur laquelle les électrons chauds excités circulent avec une directivité nette :un courant de charge, contrôlable et accordable à l'échelle nanométrique en excitant différentes combinaisons de points chauds.
"Ces métasurfaces offrent un moyen simple de contrôler l'amplitude, l'emplacement et la direction des points chauds et du courant de charge à l'échelle nanométrique avec une vitesse de réponse supérieure à la picoseconde", a déclaré Hou-Tong Chen, scientifique au CINT supervisant la recherche. "Vous pourrez alors réfléchir à des fonctionnalités plus détaillées."
La démonstration conceptuelle de ces métasurfaces optoélectroniques présente un certain nombre d'applications prometteuses. Le courant de charge généré peut être naturellement utilisé comme signal pour la photodétection, particulièrement important dans la région infrarouge à grande longueur d'onde. Le système peut servir de source de rayonnement térahertz, utile dans une gamme d'applications allant des communications sans fil ultra-rapides à la caractérisation spectroscopique des matériaux. Le système pourrait également offrir de nouvelles opportunités pour contrôler le nanomagnétisme, dans lesquelles les courants spécialisés pourraient être conçus pour des champs magnétiques adaptables à l'échelle nanométrique.
Cette nouvelle capacité pourrait également s’avérer importante pour le traitement ultrarapide de l’information, notamment en matière de calcul et de microélectronique. La possibilité d'utiliser les impulsions laser et les métasurfaces pour des circuits adaptatifs pourrait permettre la distribution d'architectures informatiques et électroniques à transistors plus lentes et moins polyvalentes. Contrairement aux circuits conventionnels, les champs lumineux structurés adaptatifs pourraient offrir des possibilités de conception complètement nouvelles.
"Ces résultats jettent les bases d'une modélisation polyvalente et d'un contrôle optique des courants à l'échelle nanométrique", a déclaré Pettine. "En plus des applications précieuses en laboratoire, les métasurfaces vectorielles peuvent permettre des avancées dans de nombreux domaines technologiques différents."
Plus d'informations : Jacob Pettine et al, Courants vectoriels à l'échelle nanométrique induits par la lumière, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07037-4
Fourni par le Laboratoire national de Los Alamos
