Des scientifiques découvrent le "Saint Graal" de l'informatique optique

Des scientifiques de l'université de Californie, à Berkeley, ont conçu un moyen de faire entrer la lumière dans des espaces plus restreints que l'on n'aurait jamais cru possible, ce qui pourrait ouvrir la voie à de nouvelles technologies dans les domaines des communications optiques, des lasers miniatures et des ordinateurs optiques.

Des chercheurs en optique ont déjà réussi à faire passer la lumière à travers des espaces de 200 nanomètres de large, soit environ 400 fois la largeur d'un cheveu humain. Un groupe de chercheurs de l'université de Berkeley, dirigé par Xiang Zhang, professeur de génie mécanique, a conçu un moyen de confiner la lumière dans des espaces incroyablement petits, de l'ordre de 10 nanomètres, soit seulement cinq fois la largeur d'un seul morceau d'ADN et d'un cheveu humain. plus de 100 fois plus fines que les fibres optiques actuelles.

"Cette technique pourrait nous permettre d'exercer un contrôle remarquable sur la lumière". a déclaré Rupert Oulton, associé de recherche dans le groupe de Zhang et auteur principal de l'étude, "et cela ouvrirait des perspectives extraordinaires pour l'avenir en termes d'utilisation de cette lumière".

À l'instar des ingénieurs en informatique qui insèrent de plus en plus de transistors dans les puces informatiques afin d'obtenir des machines plus rapides et plus petites, les chercheurs dans le domaine de l'optique ont cherché des moyens de comprimer la lumière dans des fils plus petits afin d'améliorer les communications optiques, a déclaré M. Zhang, auteur principal de l'étude, qui sera publiée dans le numéro d'août de Nature Photonics et qui est actuellement disponible en ligne.

"La mise à l'échelle des dispositifs optiques a suscité beaucoup d'intérêt". a déclaré Zhang. "C'est le Saint-Graal de l'avenir des communications.

La lumière comprimée permettrait non seulement de réduire la taille des fibres optiques, mais aussi de réaliser d'énormes progrès dans le domaine de l'informatique optique. De nombreux chercheurs souhaitent relier l'électronique et l'optique, mais la lumière et la matière ne font pas bon ménage, a expliqué M. Oulton, car leurs tailles caractéristiques se situent à des échelles très différentes. Cependant, le fait de confiner la lumière peut en fait modifier l'interaction fondamentale entre la lumière et la matière. Idéalement, les chercheurs en optique aimeraient réduire la lumière à la taille des longueurs d'onde des électrons pour forcer la lumière et la matière à coopérer.

Les chercheurs se heurtent toutefois à un mur lorsqu'il s'agit de comprimer la lumière à une distance supérieure à sa longueur d'onde. La lumière ne veut pas rester dans un espace aussi petit, a expliqué M. Oulton.

Ils ont repoussé la lumière au-delà de ces limites en utilisant la plasmonique de surface, où la lumière se lie aux électrons, ce qui lui permet de se propager à la surface du métal. Mais les ondes ne peuvent parcourir que de courtes distances le long du métal avant de s'éteindre.

M. Oulton travaillait sur la combinaison de la plasmonique et des semi-conducteurs, où ces pertes sont encore plus prononcées, lorsqu'il a eu l'idée d'obtenir simultanément un fort confinement de la lumière et d'atténuer les pertes. Sa fibre optique "hybride" théorique se compose d'un fil semi-conducteur très fin placé à proximité d'une feuille d'argent lisse.

"Il s'agit d'une géométrie très simple, et j'ai été surpris que personne ne l'ait inventée auparavant". M. Oulton a déclaré

M. Oulton a effectué des simulations informatiques pour tester cette idée. Il a constaté que non seulement la lumière pouvait se comprimer dans des espaces de quelques dizaines de nanomètres de large, mais aussi qu'elle pouvait parcourir des distances près de 100 fois plus grandes dans la simulation qu'avec la seule plasmonique de surface conventionnelle. Les chercheurs ont constaté qu'au lieu que la lumière se déplace au centre du fil fin, les ondes lumineuses sont piégées dans l'espace qui les sépare lorsque le fil s'approche de la feuille de métal.

La technique de l'équipe de recherche fonctionne parce que le système hybride agit comme un condensateur, a expliqué M. Oulton, en stockant l'énergie entre le fil et la feuille de métal. Lorsque la lumière se déplace le long de l'espace, elle stimule l'accumulation de charges sur le fil et le métal, et ces charges permettent à l'énergie d'être maintenue sur de plus longues distances. Cette découverte va à l'encontre du dogme selon lequel la compression de la lumière présente l'inconvénient de courtes distances de propagation, a déclaré M. Zhang.

"Auparavant, si l'on voulait transmettre la lumière à une échelle plus petite, on perdait beaucoup d'énergie sur le chemin. Pour conserver plus d'énergie, il fallait agrandir l'échelle. Ces deux éléments allaient toujours à l'encontre l'un de l'autre". a déclaré Zhang. "Aujourd'hui, ces travaux montrent qu'il est possible d'obtenir les deux.

Même si l'étude actuelle est théorique, la construction d'un tel dispositif devrait être simple, a déclaré M. Oulton. Le problème réside dans la détection directe de la lumière dans un espace aussi réduit : aucun outil actuel n'est assez sensible pour voir un point lumineux aussi petit. Mais le groupe de Zhang cherche d'autres moyens de détecter expérimentalement les minuscules fragments de lumière dans ces dispositifs.

M. Oulton estime que la technique hybride de confinement de la lumière pourrait avoir d'énormes ramifications. Elle rapproche la lumière de l'échelle des longueurs d'onde des électrons, ce qui signifie que de nouveaux liens entre les communications optiques et électroniques pourraient être possibles.

"Nous ramenons l'optique aux échelles de longueur des électrons". M. Oulton a déclaré "Cela signifie que nous pouvons potentiellement faire des choses que nous n'avons jamais faites auparavant.

Cette idée pourrait constituer une étape importante sur la voie d'un ordinateur optique, une machine où toute l'électronique est remplacée par des composants optiques, a déclaré M. Oulton. La construction d'un transistor optique compact est actuellement une pierre d'achoppement majeure dans la progression vers l'informatique optique, et cette technique de compactage de la lumière et de liaison entre la plasmonique et les semi-conducteurs pourrait contribuer à lever cet obstacle, ont déclaré les chercheurs.

Les autres auteurs de l'étude sont Volker Sorger, Dentcho Genov et David Pile, tous membres du groupe de recherche de Zhang à l'université de Berkeley.

Le Bureau de la recherche scientifique de l'armée de l'air américaine, la National Science Foundation et le ministère de la défense ont contribué au financement de cette étude.