Les impulsions laser synchronisées (rouge et bleu) génèrent une rafale de porteurs de charge réels et virtuels dans le graphène qui sont absorbés par l'or métallique pour produire un courant net. "Nous avons clarifié le rôle des porteurs de charge virtuels et réels dans les courants induits par laser, et cela a ouvert la voie à la création de portes logiques ultrarapides", explique Ignacio Franco, professeur agrégé de chimie et de physique à l'Université de Rochester. Crédit : Illustration de l'Université de Rochester / Michael Osadciw
Les chercheurs ont franchi une étape décisive vers la création d'ordinateurs ultrarapides.
Une quête de longue date pour la science et la technologie a consisté à créer une électronique et un traitement de l'information qui fonctionnent près des échelles de temps les plus rapides autorisées par les lois de la nature.
Une approche prometteuse pour atteindre cet objectif consiste à utiliser la lumière laser pour guider le mouvement des électrons dans la matière, puis à utiliser ce contrôle pour développer des éléments de circuit électronique, un concept connu sous le nom d'électronique à ondes lumineuses.
Remarquablement, les lasers nous permettent actuellement de générer des rafales d'électricité sur des échelles de temps femtosecondes, c'est-à-dire en un millionième de milliardième de seconde. Pourtant, notre capacité à traiter des informations à des échelles de temps aussi ultrarapides est restée insaisissable.
"Nous savons maintenant que l'électronique à ondes lumineuses est pratiquement possible." —
Maintenant, des chercheurs de l'université de Rochester et de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ont fait un pas décisif dans cette direction en démontrant une porte logique (la pierre angulaire du calcul et du traitement de l'information) qui fonctionne à échelles de temps femtoseconde. L'exploit, rapporté le 11 mai dans la revue Nature, a été accompli en exploitant et en contrôlant indépendamment, pour la première fois, les porteurs de charge réels et virtuels qui composent ces sursauts électriques ultrarapides.
Les avancées des chercheurs ont ouvert la porte au traitement de l'information à la limite du pétahertz, où un quadrillion d'opérations de calcul peut être traité par seconde. C'est presque un million de fois plus rapide que les ordinateurs actuels fonctionnant avec des fréquences d'horloge gigahertz, où 1 pétahertz équivaut à 1 million de gigahertz.
"C'est un excellent exemple de la façon dont la science fondamentale peut conduire à de nouvelles technologies", déclare Ignacio Franco, professeur agrégé de chimie et de physique à Rochester qui, en collaboration avec le doctorant Antonio José Garzón-Ramírez '21 (PhD) , ont effectué les études théoriques qui ont conduit à cette découverte.
Les lasers génèrent des rafales d'électricité ultrarapides
Ces dernières années, les scientifiques ont appris à exploiter des impulsions laser qui durent quelques femtosecondes pour générer des rafales ultrarapides de courants électriques. Cela se fait, par exemple, en éclairant de minuscules fils à base de graphène reliant deux métaux d'or. L'impulsion laser ultracourte met en mouvement ou "excite" les électrons du graphène et, surtout, les envoie dans une direction particulière, générant ainsi un courant électrique net.
Les impulsions laser peuvent produire de l'électricité beaucoup plus rapidement que n'importe quelle méthode traditionnelle, et ce, en l'absence de tension appliquée. En outre, la direction et l'amplitude du courant peuvent être contrôlées simplement en faisant varier la forme de l'impulsion laser (c'est-à-dire en changeant sa phase).
La percée : exploiter les porteurs de charge réels et virtuels
Les groupes de recherche de Franco et de Peter Hommelhoff de la FAU travaillent depuis plusieurs années pour transformer les ondes lumineuses en impulsions de courant ultrarapides.
En essayant de concilier les mesures expérimentales d'Erlangen avec les simulations informatiques de Rochester, l'équipe a réalisé : dans les jonctions or-graphène-or, il est possible de générer deux saveurs : « réelles » et « virtuelles » – de la particules portant les charges qui composent ces bouffées d'électricité.
Parce que le graphène est connecté à l'or, les porteurs de charge réels et virtuels sont absorbés par le métal pour produire un courant net.
Étonnamment, l'équipe a découvert qu'en modifiant la forme de l'impulsion laser, elle pouvait générer des courants où seuls les porteurs de charge réels ou virtuels jouent un rôle. En d'autres termes, ils ont non seulement généré deux saveurs de courants, mais ils ont également appris à les contrôler indépendamment, une découverte qui augmente considérablement les éléments de conception de l'électronique à ondes lumineuses.
Portes logiques à travers des lasers
Grâce à ce paysage de contrôle augmenté, l'équipe a pu démontrer expérimentalement, pour la première fois, des portes logiques qui fonctionnent sur une échelle de temps femtoseconde.
Les portes logiques sont les éléments de base nécessaires aux calculs. Ils contrôlent la façon dont les informations entrantes, qui prennent la forme de 0 ou 1 (appelés bits), sont traitées. Les portes logiques nécessitent deux signaux d'entrée et produisent une sortie logique.
Dans l'expérience des chercheurs, les signaux d'entrée sont la forme ou la phase de deux impulsions laser synchronisées, chacune choisie pour générer uniquement une rafale de porteurs de charge réels ou virtuels. Selon les phases laser utilisées, ces deux contributions aux courants peuvent s'additionner ou s'annuler. Le signal électrique net peut se voir attribuer une information logique 0 ou 1, donnant une porte logique ultrarapide.
"Il faudra probablement très longtemps avant que cette technique puisse être utilisée dans une puce informatique, mais au moins nous savons maintenant que l'électronique à ondes lumineuses est pratiquement possible", déclare Tobias Boolakee, qui a dirigé les efforts expérimentaux en tant que doctorant. à l'UFA.
"Nos résultats ouvrent la voie à l'électronique ultrarapide et au traitement de l'information", déclare Garzón-Ramírez '21 (PhD), maintenant chercheur postdoctoral à l'Université McGill.
"Ce qui est étonnant avec cette porte logique", déclare Franco, "c'est que les opérations ne sont pas effectuées en gigahertz, comme dans les ordinateurs ordinaires, mais en pétahertz, qui sont un million de fois plus rapides. Cela est dû aux impulsions laser très courtes utilisées qui se produisent en un millionième de milliardième de seconde.
Des fondamentaux aux applications
Cette nouvelle technologie potentiellement transformatrice est née d'études fondamentales sur la façon dont la charge peut être entraînée dans des systèmes à l'échelle nanométrique avec des lasers.
"Grâce à la théorie fondamentale et à sa connexion avec les expériences, nous avons clarifié le rôle des porteurs de charge virtuels et réels dans les courants induits par laser, et cela a ouvert la voie à la création de portes logiques ultrarapides", déclare Franco.
L'étude représente plus de 15 ans de recherche par Franco. En 2007, alors étudiant au doctorat à l'Université de Toronto, il a conçu une méthode pour générer des courants électriques ultrarapides dans des fils moléculaires exposés à des impulsions laser femtoseconde. Cette proposition initiale a ensuite été mise en œuvre expérimentalement en 2013 et le mécanisme détaillé derrière les expériences a été expliqué par le groupe Franco dans une étude de 2018. Depuis lors, il y a eu ce que Franco appelle une croissance expérimentale et théorique « explosive » dans ce domaine.
"C'est un domaine où la théorie et les expériences se défient et, ce faisant, dévoilent de nouvelles découvertes fondamentales et des technologies prometteuses", déclare-t-il.
Pour en savoir plus sur cette recherche, consultez Les impulsions laser pour le traitement ultrarapide du signal pourraient rendre les ordinateurs 1 million de fois plus rapides.
Référence : "Light-field control of real and virtual charge carriers" par Tobias Boolakee, Christian Heide, Antonio Garzón-Ramírez, Heiko B. Weber, Ignacio Franco et Peter Hommelhoff, 11 mai 2022, Nature.
DOI : 10.1038/s41586-022-04565-9
Le Franco Lab est soutenu par des prix du programme Chemical Theory and Computations de la National Science Foundation et par la bourse Leonard Mandel de la faculté de l'Université de Rochester.
