Une nanostructure composée d'argent et d'une couche semi-conductrice ultra-mince peut être transformée en un miroir à commutation rapide – en principe, un transistor optique commutant environ 10 000 fois plus vite que son équivalent électronique. Cet effet est décrit par une équipe internationale dirigée par le physicien Christoph Lienau, professeur à l'Université d'Oldenburg, dans le dernier numéro de la revue Nature Nanotechnology. Selon les chercheurs, ces commutateurs optiques ultrarapides présentent un intérêt particulier pour le traitement optique des données.
L'objectif de l'équipe était de trouver un matériau dont les propriétés réfléchissantes pourraient être modifiées – ou « commutées » – précisément par un laser en quelques femtosecondes. Une femtoseconde équivaut à un millionième de milliardième de seconde. Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé une fine plaque d'argent sur laquelle ils ont usiné une grille de rainures parallèles d'environ 45 nanomètres (milliardièmes de mètre) de large et de profondeur. Des chercheurs de l'Université de Cambridge (Royaume-Uni) y ont ensuite déposé une couche semi-conductrice extrêmement fine. Le film de matériau semi-conducteur, le disulfure de tungstène, était constitué d'une seule monocouche de cristal, ce qui signifie qu'il n'avait qu'une épaisseur de trois diamètres atomiques.
Nanostructure à la réaction lumineuse inhabituelle.
Grâce à cette combinaison, la nanostructure a présenté une réaction lumineuse inédite. « Aucun des deux matériaux, pris individuellement, ne présente d'effet de commutation », souligne Lienau. Cependant, combinés au sein d'une nanostructure, les deux matériaux réagissent d'une manière totalement nouvelle, ce qui explique pourquoi les chercheurs la qualifient de métamatériau actif. La lumière incidente peut être stockée à la surface de la nanostructure pendant environ 70 femtosecondes sous la forme d'un état quantique particulier, appelé polariton exciton-plasmon, avant d'être réfléchie.
Dans cet état, qui possède des propriétés à la fois lumineuses et matérielles, la lumière se propage le long de la surface de la couche semi-conductrice sous forme d'ondes plasmoniques. Au cours de ce processus, elle interagit intensément avec les paires électron-trou présentes dans la couche semi-conductrice, appelées excitons.
« Pendant ce temps de stockage, nous avons pu contrôler précisément la réflectivité de la couche », explique le Dr Daniel Timmer de l'Institut de physique d'Oldenburg, premier auteur de l'étude avec le Dr Moritz Gittinger. Les chercheurs ont utilisé une impulsion laser externe pour modifier l'intensité de l'interaction entre les excitons et l'onde plasmonique. Lors des premières expériences, l'équipe est parvenue à modifier la luminosité de la lumière réfléchie jusqu'à 10 %, une valeur étonnamment élevée qui pourrait probablement être augmentée en optimisant le matériau.
Timmer et Gittinger ont étudié cet effet par spectroscopie électronique bidimensionnelle (2DES). Cette méthode, exigeante expérimentalement, permet d'observer les processus d'interaction quantique avec une résolution temporelle de quelques femtosecondes seulement, à la manière d'un film. Récemment, une équipe dirigée par Lienau a réussi à simplifier considérablement l'application de la 2DES, la rendant ainsi utilisable pour des études plus approfondies. « Dans ce travail, nous avons pu, pour la première fois, examiner un métamatériau de ce type en utilisant des impulsions lumineuses plus courtes que le processus de commutation observé lui-même », souligne Lienau. Cela nous a permis d'enregistrer les différentes étapes du phénomène à des intervalles de quelques femtosecondes seulement.
Applications potentielles : fabrication de puces, capteurs et ordinateurs quantiques.
« Nos résultats présentent un grand intérêt pour le développement de commutateurs optiques ultrarapides à l’échelle nanométrique », souligne Lienau. Le traitement optique des données constitue une application potentielle. « La quantité d’informations transmissibles par unité de temps augmenterait considérablement grâce à ce type de commutateur », explique-t-il. À titre de comparaison, le temps de commutation des transistors électroniques, utilisés des millions de fois dans les ordinateurs ou les téléviseurs LED, est environ mille fois plus long.
D’un point de vue physique, les technologies optiques sont donc le seul moyen d’accroître encore la fréquence d’horloge des ordinateurs classiques. Les nanocommutateurs optiques pourraient également offrir des perspectives prometteuses dans la fabrication de puces, les capteurs optiques et les ordinateurs quantiques. Lienau conclut : « Le défi majeur consistera à concevoir, à optimiser et à perfectionner les métamatériaux actifs afin que ces applications deviennent une réalité. »
Outre l’équipe d’Oldenburg, des chercheurs de l’Université de Cambridge (Royaume-Uni), de l’École polytechnique de Milan (Italie) et de l’Université technique de Berlin ont participé à cette étude.
