Des interrupteurs lumineux en semi-conducteurs ultraminces

Une nanostructure composée d’argent et d’une couche semi-conductrice atomiquement mince peut être transformée en un dispositif miroir de commutation ultrarapide, fonctionnant comme un transistor optique – avec une vitesse de commutation environ 10 000 fois supérieure à celle d’un transistor électronique. Une équipe internationale de chercheurs dirigée par le physicien de l’Université d’Oldenburg, le professeur Dr Christoph Lienau, décrit cet effet dans un article publié dans le dernier numéro de Nature Nanotechnology. Ces commutateurs de lumière ultrarapides ouvrent des perspectives intéressantes pour le traitement optique des données, expliquent les chercheurs.

L’objectif de l’équipe était de trouver un matériau dont les propriétés réfléchissantes pourraient être manipulées, ou « commutées », en quelques femtosecondes à l’aide d’un faisceau laser hautement focalisé. Une femtoseconde équivaut à un millionième de milliardième de seconde. Pour leurs expériences, les chercheurs ont utilisé un « réseau de nanoslits » en argent ultramince, dans la surface duquel ils ont usiné une grille de rainures parallèles d’environ 45 nanomètres (ou milliardièmes de mètre) de largeur et de profondeur. Des membres de l’équipe de recherche de l’Université de Cambridge (Royaume-Uni) ont ensuite appliqué une monocouche du cristal semi-conducteur disulfure de tungstène, épaisse de seulement trois atomes, à la surface de cette structure.

Les plasmon-polaritons exhibent des propriétés à la fois de la lumière et de la matière

Avec cette combinaison, la nanostructure a affiché une réaction inhabituelle à la lumière : « Pris séparément, aucun des deux matériaux ne présente d’effet de commutation », explique Lienau. Cependant, lorsqu’ils sont combinés dans une nanostructure hybride, ils réagissent très différemment à la lumière, se transformant en ce que l’on appelle un « métamatériau actif ». La lumière qui frappe la surface de la nanostructure peut alors être stockée dans un état quantique hybride, connu sous le nom de polariton exciton-plasmon, pendant environ 70 femtosecondes avant d’être réfléchie. Dans cet état, qui présente des propriétés à la fois de la lumière et de la matière, la lumière se propage à la surface de la couche semi-conductrice sous forme d’ondes plasmoniques, produisant une forte interaction avec les paires électron-trou liées de la couche semi-conductrice, les excitons.

« Pendant cette phase de stockage, nous avons pu contrôler la réflectivité de cette couche », déclare le Dr Daniel Timmer de l’Institut de physique de l’Université d’Oldenburg, qui a été le 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 les ondes plasmoniques. Dès leurs premières expériences, ils ont pu modifier la luminosité de la lumière réfléchie jusqu’à 10 % – une valeur étonnamment élevée qui pourrait potentiellement être encore augmentée avec des matériaux optimisés.

Timmer et Gittinger ont étudié l’effet en utilisant la spectroscopie électronique bidimensionnelle (2DES). Cette technique complexe permet aux scientifiques d’observer les interactions quantiques avec une résolution temporelle de seulement quelques femtosecondes, comme s’ils regardaient un film. Une équipe dirigée par Lienau a récemment trouvé une astuce pour simplifier la procédure 2DES et ainsi étendre son utilisation à d’autres études. « Dans l’étude actuelle, nous avons pu examiner un métamatériau pour la première fois en utilisant des impulsions lumineuses plus courtes que le processus de commutation observé », explique Lienau. Les scientifiques ont ainsi pu enregistrer les différentes étapes du phénomène à des intervalles de seulement quelques femtosecondes.  

Ces commutateurs pourraient augmenter considérablement la quantité d’information transmise par unité de temps

« Nos résultats sont particulièrement intéressants si l’on veut fabriquer des commutateurs de lumière ultrarapides à l’échelle nanométrique », affirme Lienau, citant le domaine du traitement optique des données comme un domaine d’application potentiel. « Avec ces commutateurs, la quantité d’informations pouvant être transmise par unité de temps augmenterait considérablement. »

À titre de comparaison, le temps de commutation des transistors électroniques actuellement utilisés dans des millions d’ordinateurs et de téléviseurs LED est environ mille fois plus long. D’un point de vue physique, les technologies optiques sont donc le seul moyen d’augmenter encore la fréquence d’horloge des ordinateurs conventionnels, explique Lienau, ajoutant que les commutateurs de lumière ultrarapides à l’échelle nanométrique pourraient également ouvrir des possibilités intéressantes pour la fabrication de puces, les capteurs optiques ou les ordinateurs quantiques. « La tâche principale consistera à concevoir, adapter et optimiser les métamatériaux actifs de manière à rendre ces applications possibles », souligne-t-il.  

Outre l’équipe d’Oldenburg, des chercheurs de l’Université de Cambridge (Royaume-Uni), du Politecnico di Milano (Italie) et de la Technische Universität Berlin ont participé à l’étude.

Article : Ultrafast transition from coherent to incoherent polariton nonlinearities in a hybrid 1L-WS2/plasmon structure – Journal : Nature Nanotechnology – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Oldenburg U.