Des chercheurs de Rochester et d’Erlangen ont franchi une étape décisive vers la création d’ordinateurs ultrarapides. Illustration d’impulsions laser synchronisées (rouge et bleu) générant une rafale de porteurs de charge réels et virtuels dans le graphène.
Des 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 réels et virtuels dans les courants induits par laser, ce qui a ouvert la voie à la création de portes logiques ultrarapides », explique Ignacio Franco, professeur associé de chimie et de physique à Rochester. (Illustration de l’Université de Rochester / Michael Osadciw)
La science et la technologie cherchent depuis longtemps à mettre au point des systèmes électroniques et de traitement de l’information qui fonctionnent à des échelles de temps proches des plus rapides autorisées par les lois de la nature.
Un moyen prometteur d’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 circuits électroniques – un concept connu sous le nom d’électronique à ondes lumineuses.
De façon remarquable, les lasers nous permettent actuellement de générer des rafales d’électricité à l’échelle de la femtoseconde, c’est-à-dire en un millionième de milliardième de seconde. Pourtant, notre capacité à traiter des informations à ces échelles de temps ultrarapides est restée insaisissable.
Aujourd’hui, 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 qu’une porte logique, élément constitutif de l’informatique et du traitement de l’information, fonctionne à l’échelle de la femtoseconde. L’exploit, rapporté 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 rafales d’électricité ultrarapides.
Les avancées des chercheurs ont ouvert la porte au traitement de l’information à la limite du pétahertz, où un quadrillion d’opérations informatiques peuvent être traitées par seconde. C’est près d’un million de fois plus rapide que les ordinateurs actuels fonctionnant avec des fréquences d’horloge de l’ordre du gigahertz, où 1 pétahertz correspond à 1 million de gigahertz.
« C’est un excellent exemple de la manière dont la science fondamentale peut déboucher sur de nouvelles technologies », déclare Ignacio Franco, professeur associé de chimie et de physique à Rochester, qui, en collaboration avec le doctorant Antonio José Garzón-Ramírez 21 ans (PhD), a réalisé 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 les impulsions laser qui durent quelques femtosecondes pour générer des rafales ultrarapides de courant électrique. Ils y parviennent, par exemple, en illuminant de minuscules fils à base de graphène reliant deux métaux dorés. L’impulsion laser ultrabrève 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 bien plus rapidement que toute autre méthode traditionnelle, et ce en l’absence de tension appliquée. En outre, la direction et l’intensité du courant peuvent être contrôlées simplement en modifiant 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 à 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 eu une prise de conscience : Dans les jonctions or-graphène-or, il est possible de générer deux saveurs – « réelle » et « virtuelle » – des particules porteuses de charges qui composent ces rafales d’électricité.
Les porteurs de charge « réels » sont des électrons excités par la lumière qui restent en mouvement directionnel même après l’arrêt de l’impulsion laser.
Les porteurs de charge « virtuels » sont des électrons qui ne sont mis en mouvement directionnel net que lorsque l’impulsion laser est activée. En tant que tels, ce sont des espèces insaisissables qui ne vivent que de manière transitoire pendant l’illumination.
Comme le graphène est relié à l’or, les porteurs de charge réels et virtuels sont absorbés par le métal pour produire un courant net.
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 types 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.
Des portes logiques grâce aux lasers
En utilisant ce paysage de contrôle amélioré, l’équipe a pu démontrer expérimentalement, pour la première fois, des portes logiques qui fonctionnent à l’échelle de la femtoseconde.
Les portes logiques sont les éléments de base nécessaires aux calculs. Elles contrôlent le traitement des informations entrantes, qui prennent la forme de 0 ou de 1 (appelés bits). Les portes logiques nécessitent deux signaux d’entrée et produisent une sortie logique.
« Nous savons maintenant que l’électronique à ondes lumineuses est pratiquement possible ».
Dans l’expérience des chercheurs, les signaux d’entrée sont la forme ou la phase de deux impulsions laser synchronisées, chacune étant choisie pour ne générer qu’une salve de porteurs de charge réels ou virtuels. En fonction des phases laser utilisées, ces deux contributions aux courants peuvent s’additionner ou s’annuler. Le signal électrique net peut se voir attribuer l’information logique 0 ou 1, ce qui donne une porte logique ultrarapide.
« Il faudra probablement attendre 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 la FAU.
« Nos résultats ouvrent la voie à l’électronique ultrarapide et au traitement de l’information », déclare Garzón-Ramírez 21 ans (Ph.D.), actuellement chercheur postdoctoral à l’Université McGill.
« Ce qui est étonnant avec cette porte logique, poursuit M. Franco, c’est que les opérations sont effectuées non pas en gigahertz, comme dans les ordinateurs ordinaires, mais en pétahertz, soit un million de fois plus vite. Cela est dû aux impulsions laser très courtes utilisées, qui se produisent en un millionième de milliardième de seconde. »
Des fondements aux applications
Cette nouvelle technologie potentiellement transformatrice est née d’études fondamentales sur la façon dont la charge peut être entraînée dans des systèmes nanométriques à l’aide de lasers.
« Grâce à la théorie fondamentale et à son lien avec les expériences, nous avons clarifié le rôle des porteurs de charge virtuels et réels dans les courants induits par les lasers, ce qui a ouvert la voie à la création de portes logiques ultrarapides », explique M. Franco.
L’étude représente plus de 15 ans de recherches menées par Franco. En 2007, alors qu’il était étudiant en 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 femtosecondes. 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 mutuellement et, ce faisant, dévoilent de nouvelles découvertes fondamentales et des technologies prometteuses », dit-il.
https://www.rochester.edu/newscenter/laser-driven-logic-gates-petahertz-ultrafast-computers-522142/
