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Des pulsations laser ultrarapides éclairent l’informatique du futur

Pour construire de nouveaux types d’éléments optiques et électroniques, les scientifiques doivent appréhender des événements qui se produisent à l’échelle atomique en un trillionième de seconde.

Économie numérique

Selon la loi de Moore, les ordinateurs devraient doubler leur vitesse tous les deux ans. Cette prédiction s’est en grande partie vérifiée, mais à terme, les puces de silicium deviendront si petites et si rapides que des interactions atomiques entreront en jeu, empêchant toute nouvelle avancée. Le projet DIVI, financé par l’UE, promet de dépasser cette limite en développant des connaissances en électronique des ondes lumineuses, où des principes optiques sont utilisés pour diriger et contrôler les électrons dans des dimensions atomiques.

Une informatique de nouvelle génération

«Ces matériaux ne seront pas des semi-conducteurs, mais des cristaux moléculaires artificiels et des métamatériaux», explique Peter Baum, coordinateur du projet DIVI. «Ceux-ci fonctionneront à des fréquences optiques, 100 térahertz, ce qui est plus de 1 000 fois plus rapide que l’électronique traditionnelle.» Le principe qui sous-tend les ordinateurs à ondes lumineuses est de guider les électrons à travers un matériau en utilisant les oscillations incroyablement rapides de la lumière laser, permettant un niveau de vitesse et de contrôle impossible à atteindre dans l’électronique actuelle. Les composants traditionnels en silicium sont remplacés par des structures atomiques et des métamatériaux, de minuscules réseaux d’antennes plus petits que la longueur d’onde de la lumière, qui peuvent modeler l’amplitude et la phase de la lumière selon les besoins. Le défi auquel a été confronté le projet DIVI était de visualiser et de contrôler les changements ultrarapides de ces métamatériaux lorsqu’ils interagissent avec la lumière. «Si vous regardez autour de vous, toute la matière que vous voyez dans les gaz, les liquides et les solides est composée d’atomes dans des configurations compliquées, liés entre eux par des électrons qui sont également dans des configurations complexes, et tout cela change tout le temps», explique Peter Baum. «Notre objectif ultime est de rendre visibles les changements à l’échelle atomique dans l’espace et le temps, puis de les contrôler.»

Microscopie électronique

Pour atteindre la visualisation spatio-temporelle nécessaire, l’équipe basée à l’Université de Constance a utilisé un microscope électronique jumelé à un laser capable de pulser à des intervalles inférieurs au millionième de milliardième de seconde, aussi rapides que les oscillations du champ électromagnétique d’une onde lumineuse. Le résultat est ce que Peter Baum nomme un microscope électronique attoseconde. Le groupe a réalisé une série de développements technologiques révolutionnaires, puis plusieurs expériences de démonstration de principe, dont les résultats ont été publiés dans diverses revues, par exemple deux fois, dans «Science» en 2016 et plus tard dans «Nature Physics» et «Science Advances». «Nous avons tourné un film multidimensionnel des ondes lumineuses oscillant autour d’un élément en métamatériau; c’était vraiment génial de voir cela pour la première fois», confie-t-il. «Nous avons été extrêmement enthousiasmés par les applications pratiques à venir.»

Le temps et l’espace

La recherche a été soutenue par le Conseil européen de la recherche. «Ce travail n’aurait pas été possible sans ce soutien, c’est aussi simple que cela», ajoute Peter Baum. «Ce n’est qu’avec le prestigieux financement du CER que nous avons pu acquérir l’équipement essentiel et réunir le personnel nécessaire, de niveau mondial, pour concrétiser nos idées.» Par la suite, l’équipe entend utiliser son nouveau microscope électronique attoseconde pour examiner des matériaux et des métamatériaux encore plus complexes. L’objectif est de commencer à construire une bibliothèque de composants pouvant reproduire les fonctions des circuits traditionnels, permettant ainsi le développement d’ordinateurs à ondes lumineuses et de nouveaux composants optiques. Une condition préalable essentielle consiste à observer les mouvements électroniques et atomiques dans l’espace et le temps. Comme le dit Peter Baum: «Vous ne pouvez contrôler que ce que vous pouvez mesurer.»

Mots‑clés

DIVI, ondes lumineuses, ordinateurs, térahertz, attoseconde, électron, atomique, temps, espace, métamatériau, Peter Baum

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