Les particules avalanchantes accélèrent le développement de l’ordinateur photonique

L’informatique optique et la mémoire de nouvelle génération suscitent un intérêt croissant pour leurs capacités à traiter et à stocker des informations à des vitesses vertigineuses. La recherche scientifique se penche sur des solutions innovantes pour répondre à ces besoins technologiques. Une étude récente met en lumière des matériaux prometteurs qui pourraient redéfinir les performances des futurs systèmes informatiques.

Des scientifiques, incluant un chercheur en chimie de l’Université d’État de l’Oregon, ont fait une avancée significative dans le domaine de l’informatique optique et de la mémoire. Ils ont découvert des nanocristaux luminescents capables de passer rapidement de l’état lumineux à l’obscurité et vice versa. Cette découverte pourrait jouer un rôle important dans l’évolution des technologies d’information.

« Les capacités exceptionnelles de commutation et de mémoire de ces nanocristaux pourraient un jour devenir essentielles pour l’informatique optique – une méthode permettant de traiter et de stocker rapidement l’information en utilisant des particules de lumière, qui se déplacent plus vite que tout autre objet dans l’univers », a indiqué Artiom Skripka, professeur assistant au College of Science de l’OSU. « Nos recherches pourraient améliorer l’intelligence artificielle et les technologies de l’information en général. »

Le comportement optique des nanocristaux

Cette étude a été publiée dans la revue Nature Photonics et est le fruit d’une collaboration entre Artiom Skripka et des chercheurs des laboratoires nationaux de Berkeley, de l’Université Columbia et de l’Université autonome de Madrid. Elle se concentre sur un type de matériau appelé nanoparticules à avalanche.

Les nanomateriaux sont des fragments de matière dont les dimensions se situent entre un milliardième et un cent-milliardième de mètre. Les nanoparticules à avalanche sont particulièrement notées pour leur non-linéarité extrême dans leurs propriétés d’émission lumineuse – elles émettent de la lumière dont l’intensité peut augmenter de manière exponentielle avec une légère augmentation de l’intensité du laser qui les excite.

Les chercheurs ont étudié des nanocristaux composés de potassium, de chlore et de plomb, dopés avec du néodyme. À eux seuls, ces nanocristaux de chlorure de plomb et de potassium n’interagissent pas avec la lumière; cependant, en tant qu’hôtes, ils permettent à leurs ions de néodyme invités de gérer les signaux lumineux de manière plus efficace, les rendant utiles pour des applications en optoélectronique, la technologie laser et d’autres utilisations optiques.

« Normalement, les matériaux luminescents émettent de la lumière lorsqu’ils sont excités par un laser et restent sombres lorsqu’ils ne le sont pas », a expliqué Artiom Skripka. « En revanche, nous avons été surpris de constater que nos nanocristaux mènent des vies parallèles. Sous certaines conditions, ils montrent un comportement particulier : ils peuvent être soit brillants, soit sombres sous exactement le même laser longueur d’onde et puissance d’excitation. »

Ce comportement est connu sous le nom de bistabilité optique intrinsèque. Artiom Skripka a décrit ce phénomène en ces termes : « Si les cristaux sont sombres au départ, il faut une puissance laser plus élevée pour les allumer et observer l’émission, mais une fois qu’ils émettent, ils continuent à émettre et on peut observer leur émission à des puissances laser inférieures à celles nécessaires pour les allumer initialement. C’est comme pédaler à vélo – pour le faire partir, il faut pousser fort sur les pédales, mais une fois en mouvement, il faut moins d’effort pour le maintenir. Leur luminescence peut être allumée et éteinte très abruptement, comme si on appuyait sur un bouton. »

Implications pour l’efficacité énergétique et l’informatique

Les capacités de commutation à faible puissance des nanocristaux correspondent à l’effort mondial visant à réduire la consommation d’énergie par l’intelligence artificielle, les centres de données et les appareils électroniques. Les applications d’IA nécessitent une puissance de calcul considérable et sont souvent limitées par des contraintes matérielles, un problème que cette recherche pourrait aider à résoudre.

« L’intégration de matériaux photoniques avec une bistabilité optique intrinsèque pourrait entraîner des processeurs de données plus rapides et plus efficaces, améliorant les algorithmes d’apprentissage automatique et l’analyse des données », a souligné Artiom Skripka. « Cela pourrait également signifier des dispositifs basés sur la lumière plus efficaces, utilisés dans des domaines comme les télécommunications, l’imagerie médicale, la détection environnementale, et les interconnexions pour les ordinateurs optiques et quantiques. »

En outre, il a mentionné que cette étude complète les efforts existants pour développer des ordinateurs optiques puissants et polyvalents, basés sur le comportement de la lumière et de la matière à l’échelle nanométrique, soulignant ainsi l’importance de la recherche fondamentale pour stimuler l’innovation et la croissance économique.

« Nos découvertes sont prometteuses, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour résoudre des problèmes tels que l’évolutivité et l’intégration avec les technologies existantes avant que notre découverte ne trouve sa place dans des applications pratiques », a conclu Artiom Skripka.

Article : ‘Intrinsic optical bistability of photon avalanching nanocrystals’ / ( 10.1038/s41566-024-01577-x ) – Oregon State University – Publication dans la revue Nature Photonics