La physique

Les puces de traitement de l'information basées sur la lumière pourraient améliorer considérablement la puissance et la vitesse de traitement par rapport à l'électronique actuelle, mais l'un des défis de leur développement est de créer des commutateurs à commande optique rapides. Une nouvelle astuce pour permettre à un signal lumineux d'en contrôler un autre dans un matériau semi-conducteur pousse désormais les temps de commutation d'environ une picoseconde (10 à 12 secondes) à jusqu'à 100 fois plus rapides dans un dispositif qui peut être facilement intégré sur une puce [1] . La commutation rapide est obtenue en exploitant d'une nouvelle manière un condensat de Bose-Einstein (BEC) - un état quantique célèbre pour son comportement exotique dans les supraconducteurs et les gaz froids. Ces travaux ouvrent la voie aux technologies de l'information optique à très haute fréquence.

La commutation optoélectronique - utilisant la lumière pour contrôler un courant - a déjà été démontrée en seulement 1 femtoseconde (10-12 secondes) mais uniquement dans un dispositif semi-conducteur difficile à fabriquer et à faire fonctionner [2]. Une approche différente de la fabrication de dispositifs optiques à base de puces exploite les excitations électroniques appelées polaritons d'excitons, formées lorsqu'un photon piégé dans une cavité optique interagit avec un état électronique appelé exciton (une combinaison d'un électron et d'un "trou", ou l'absence d'un électron). Le photon et l'exciton peuvent se lier en une quasi-particule, le polariton de l'exciton.

Les polaritons d'excitation peuvent interagir avec la lumière de manière à changer brusquement lorsque l'intensité de la lumière change. En particulier, une impulsion optique peut faire chuter brutalement la lumière émise par ces quasi-particules jusqu'à une intensité nulle. Des commutateurs optiques à base de polaritons ont déjà été signalés avec des temps de commutation d'environ une picoseconde [3, 4].

Une équipe en Chine dirigée par Hui Li de l'Université normale de Chine orientale a voulu accélérer la commutation en utilisant un BEC de polaritons, où les quasiparticules se "condensent" en un seul état quantique. La condensation de Bose-Einstein ne se produit généralement qu'à des températures ultra basses, mais les polaritons d'excitons dans les microcavités semi-conductrices peuvent former un BEC même à température ambiante [5]. De tels condensats de polariton ont déjà été utilisés dans des commutateurs optiques et d'autres dispositifs [3, 6], mais Li et ses collègues soupçonnaient qu'ils pourraient obtenir une commutation beaucoup plus rapide avec une nouvelle technique. Ils voulaient exploiter la manière dont une impulsion de lumière "de contrôle" peut interagir avec la partie photonique des quasi-particules pour éliminer rapidement de nombreux polaritons de l'état BEC et éteindre brusquement le système.

Le polariton BEC de l'équipe est formé dans une microcavité - un fil d'oxyde de zinc de 3,6 micromètres de section - à partir de polaritons d'excitons créés par une impulsion de pompe ultraviolette qui ne dure que quelques femtosecondes. Les photons de pompe rebondissent dans la section transversale hexagonale du fil et interagissent avec les excitons du matériau pour former des polaritons. Les polaritons se condensent en un BEC d'environ 20 millions de quasi-particules qui se désintègre en quelques picosecondes. L'impulsion de la pompe sert de signal d'entrée ; pendant que le BEC dure, certains de ses photons sont émis et peuvent être détectés comme sortie.

L'impulsion de commande d'un laser rouge perturbe le condensat, l'épuise en polaritons et coupe le signal de sortie. Li dit que cette perturbation se produit en moins d'une picoseconde, soit environ 100 fois plus vite que les commutateurs de polariton précédents. De plus, le rapport du signal marche-arrêt (rapport d'extinction) dans l'appareil est d'environ un million, le meilleur obtenu dans un commutateur de polariton. Les chercheurs disent que la vitesse de commutation pourrait être multipliée par 10 en raccourcissant la durée de l'impulsion de commande.

"C'est un très beau travail, et je suis impressionné par leurs résultats", a déclaré l'expert en optique quantique Daniel Suárez Forero de l'Université du Maryland à College Park. "Il est agréable de voir comment, 27 ans après la première démonstration expérimentale d'un BEC, le contrôle des systèmes hébergeant ce phénomène s'est amélioré au point que des applications technologiques peuvent être mises en œuvre."

Il fait l'éloge du fonctionnement à température ambiante, des temps de commutation rapides et du taux d'extinction élevé de l'appareil. De telles propriétés "rendent ces systèmes très adaptés aux technologies de commutation ultrarapide", dit-il. Mais Suárez Forero prévient qu'il reste encore des défis importants à surmonter, par exemple, la miniaturisation de tous les composants de la configuration, y compris les lasers.

–Philip Ball

Philip Ball est un rédacteur scientifique indépendant à Londres. Son dernier livre est The Modern Myths (University of Chicago Press, 2021).

Fei Chen, Hui Li, Hang Zhou, Song Luo, Zheng Sun, Ziyu Ye, Fenghao Sun, Jiawei Wang, Yuanlin Zheng, Xianfeng Chen, Huailiang Xu, Hongxing Xu, Tim Byrnes, Zhanghai Chen et Jian Wu

Phys. Rév. Lett. 129, 057402 (2022)

Publié le 29 juillet 2022

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