Selon des scientifiques de renommée mondiale, des puces ultra-fines à base de niobate de lithium sont sur le point de surpasser les puces en silicium dans les technologies basées sur la lumière. Leurs applications potentielles vont de la détection à distance de mûrissement de fruits sur Terre à la navigation sur la Lune.
Ces experts estiment que le cristal artificiel représente la plateforme de choix pour ces technologies, grâce à ses performances supérieures et aux récentes avancées en matière de capacités de fabrication.
Dirigée par le professeur émérite Arnan Mitchell de l’Université RMIT et le Dr Andy Boes de l’Université d’Adélaïde, une équipe internationale d’experts a examiné les capacités et les applications potentielles du niobate de lithium dans la revue Science.
Cette équipe internationale, qui comprend des scientifiques de l’Université de Pékin en Chine et de l’Université Harvard aux États-Unis, travaille avec l’industrie pour développer des systèmes de navigation destinés à aider les rovers à se déplacer sur la Lune d’ici la fin de la décennie.
Etant donné qu’il est impossible d’utiliser la technologie du système de positionnement global (GPS) sur la Lune, les systèmes de navigation des rovers lunaires devront utiliser un système alternatif. C’est là que l’innovation de l’équipe entre en jeu.
En détectant de minuscules variations de la lumière laser, la puce de niobate de lithium peut être utilisée pour mesurer le mouvement sans avoir besoin de signaux externes, selon Mitchell.
« Ce n’est pas de la science-fiction : ce cristal artificiel est utilisé pour développer toute une série d’applications passionnantes. Et la concurrence pour exploiter le potentiel de cette technologie polyvalente s’intensifie« , a déclaré M. Mitchell, directeur du Centre intégré de photonique et d’applications.
Selon lui, si le dispositif de navigation lunaire en est aux premiers stades de développement, la technologie des puces en niobate de lithium est « suffisamment mûre pour être utilisée dans des applications spatiales« .
« Notre technologie des puces en niobate de lithium est également suffisamment souple pour être rapidement adaptée à presque toutes les applications utilisant la lumière« , a ajouté M. Mitchell.
« Nous nous concentrons actuellement sur la navigation, mais la même technologie pourrait également être utilisée pour relier l’internet sur la Lune à l’internet sur Terre.«
Qu’est-ce que le niobate de lithium et comment peut-on l’utiliser ?
Le niobate de lithium est un cristal artificiel qui a été découvert pour la première fois en 1949, mais qui revient à la mode, selon M. Boes.
Le niobate de lithium a de nouvelles utilisations dans le domaine de la photonique – la science et la technologie de la lumière – car, contrairement à d’autres matériaux, il peut générer et manipuler des ondes électromagnétiques dans tout le spectre de la lumière, des micro-ondes aux fréquences UV », a-t-il déclaré.
Le silicium était le matériau de prédilection pour les circuits électroniques, mais ses limites sont devenues de plus en plus évidentes dans le domaine de la photonique. »
Le niobate de lithium est revenu à la mode en raison de ses capacités supérieures, et les progrès réalisés dans le domaine de la fabrication signifient qu’il est désormais facilement disponible sous forme de couches minces sur des plaquettes de semi-conducteurs. »
« Une couche de niobate de lithium environ 1 000 fois plus fine qu’un cheveu humain est placée sur une plaquette de semi-conducteur« , explique M. Boes.
« Des circuits photoniques sont imprimés dans la couche de niobate de lithium et adaptés à l’utilisation prévue de la puce. Une puce de la taille d’un ongle peut contenir des centaines de circuits différents« .
Comment fonctionne la technologie de navigation lunaire ?
L’équipe travaille avec la société australienne Advanced Navigation pour créer des gyroscopes optiques, où la lumière laser est lancée dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre dans une bobine de fibre, a expliqué M. Mitchell.
« Lorsque la bobine est déplacée, la fibre est légèrement plus courte dans une direction que dans l’autre, conformément à la théorie de la relativité d’Albert Einstein.«
Nos puces photoniques sont suffisamment sensibles pour mesurer cette minuscule différence et l’utiliser pour déterminer le mouvement de la bobine. Si vous pouvez suivre vos mouvements, vous savez alors où vous êtes par rapport à votre point de départ. C’est ce qu’on appelle la navigation inertielle. »
Des applications potentielles plus proches de la maison
Cette technologie peut également être utilisée pour détecter à distance la maturité des fruits.
« Le gaz émis par les fruits mûrs est absorbé par la lumière dans la partie infrarouge moyenne du spectre« , explique M. Mitchell.
« Un drone en vol stationnaire dans un verger transmettrait la lumière à un autre drone qui détecterait le degré d’absorption de la lumière et le moment où les fruits sont prêts à être récoltés.«
« Notre technologie de micropuce est beaucoup plus petite, moins chère et plus précise que la technologie actuelle et peut être utilisée avec de très petits drones qui n’endommageront pas les arbres fruitiers.«
Prochaines étapes
L’Australie pourrait devenir un centre mondial de fabrication de puces photoniques intégrées à partir de niobate de lithium, ce qui aurait un impact majeur sur les applications technologiques qui utilisent toutes les parties du spectre de la lumière, a déclaré M. Mitchell.
« Nous disposons de la technologie nécessaire pour fabriquer ces puces en Australie et nous avons les industries qui les utiliseront« , a-t-il déclaré.
« Les puces photoniques peuvent désormais transformer les industries bien au-delà des communications par fibre optique. »
La technologie des puces en niobate de lithium
Le niobate de lithium est un matériau cristallin artificiel qui a suscité un intérêt considérable pour une variété d’applications technologiques, notamment dans la fabrication de puces ultra-fines.
Les puces en niobate de lithium présentent plusieurs avantages par rapport aux puces conventionnelles en silicium. Tout d’abord, elles peuvent traiter des signaux lumineux, ce qui les rend potentiellement utiles dans une variété de technologies basées sur la lumière, allant des télécommunications par fibre optique aux capteurs de lumière pour la détection de mouvements.
L’un des principaux avantages du niobate de lithium est qu’il est un matériau non linéaire, ce qui signifie qu’il peut modifier la fréquence de la lumière qu’il traite. Ceci est particulièrement utile dans les communications optiques, où il peut être utilisé pour augmenter la capacité de transmission de données.
De plus, le niobate de lithium est capable de générer et de détecter des signaux acoustiques de haute fréquence, ce qui en fait un matériau idéal pour une variété d’applications dans le domaine de l’électronique acoustique.
Enfin, grâce aux avancées récentes dans les techniques de fabrication, il est maintenant possible de produire des puces en niobate de lithium de manière rentable et à grande échelle.
Cependant, comme toute technologie, les puces en niobate de lithium ont aussi leurs défis. Par exemple, la gestion de la chaleur peut être un problème, car le niobate de lithium peut chauffer lorsqu’il est utilisé à des fréquences élevées. De plus, la fabrication de dispositifs de niobate de lithium à l’échelle nanométrique peut également présenter des défis élevés.
Illustration légende : Cette puce en niobate de lithium, de la taille d’un ongle, est fabriquée à partir d’une couche mince de niobate de lithium et peut être utilisée dans les télécommunications, pour rendre l’internet plus rapide. Crédit : Université RMIT
“Lithium niobate photonics: Unlocking the electromagnetic spectrum” is published in Science (DOI: 10.1126/science.abj4396).
RMIT University and the University of Adelaide led this research in collaboration with Peking University, Stanford University, Harvard University, University of Southern California, Hyperlight, University of Rochester and University of California.
Co-authors are Andy Boes, Lin Chang, Carsten Langrock, Mengjie Yu, Mian Zhang, Qiang Lin, Marko Lončar, Martin Fejer, John Bowers and Arnan Mitchell.
