Le premier phototransistor à vitesse Petahertz fonctionne dans des conditions ambiantes

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Mohammed Hassan (à droite), professeur agrégé de physique et de sciences optiques, et Mohamed Sennary, étudiant diplômé en optique et physique, tiennent dans leurs mains le transistor commercial qu'ils ont utilisé pour développer un transistor à vitesse pétahertz. (Image :Les chercheurs)

Et si des impulsions lumineuses ultrarapides pouvaient faire fonctionner les ordinateurs à des vitesses un million de fois supérieures à celles des meilleurs processeurs actuels ? Une équipe de scientifiques, comprenant des chercheurs de l'Université de l'Arizona, travaille pour rendre cela possible.

Dans le cadre d'un effort international révolutionnaire, des chercheurs du Département de physique du Collège des sciences et du Collège des sciences optiques James C. Wyant ont démontré un moyen de manipuler les électrons du graphène à l'aide d'impulsions de lumière qui durent moins d'un billionième de seconde. En tirant parti d'un effet quantique connu sous le nom de tunneling, ils ont enregistré des électrons contournant une barrière physique presque instantanément, un exploit qui redéfinit les limites potentielles de la puissance de traitement informatique.

Une étude publiée dansNature Communications souligne comment cette technique pourrait conduire à des vitesses de traitement de l'ordre du pétahertz, soit plus de 1 000 fois plus rapides que les puces informatiques modernes.

L'envoi de données à ces vitesses révolutionnerait l'informatique telle que nous la connaissons, a déclaré Mohammed Hassan, professeur agrégé de physique et de sciences optiques. Hassan s'intéresse depuis longtemps à la technologie informatique basée sur la lumière et a précédemment dirigé les efforts visant à développer le microscope électronique le plus rapide au monde.

"Nous avons connu un énorme bond en avant dans le développement de technologies telles que les logiciels d'intelligence artificielle, mais le rythme du développement du matériel n'évolue pas aussi rapidement", a déclaré Hassan. "Mais, en nous appuyant sur la découverte des ordinateurs quantiques, nous pouvons développer du matériel qui correspond à la révolution actuelle des logiciels de technologie de l'information. Les ordinateurs ultrarapides contribueront grandement aux découvertes dans la recherche spatiale, la chimie, les soins de santé et bien plus encore."

Hassan a travaillé aux côtés de ses collègues de l'Université de l'Alberta, Nikolay Golubev, professeur adjoint de physique ; Mohamed Sennary, étudiant diplômé en optique et physique; Jalil Shah, chercheur postdoctoral en physique ; et Mingrui Yuan, étudiant diplômé en optique. Ils ont été rejoints par des collègues du Jet Propulsion Laboratory du California Institute of Technology et de l'Université Ludwig Maximilian de Munich en Allemagne.

L’équipe étudiait à l’origine la conductivité électrique d’échantillons modifiés de graphène, un matériau composé d’une seule couche d’atomes de carbone. Lorsqu'un laser brille sur le graphène, l'énergie du laser excite les électrons du matériau, les faisant bouger et se former en courant.

Parfois, ces courants électriques s’annulent. Hassan a expliqué que cela se produit parce que l'onde d'énergie du laser se déplace de haut en bas, générant des courants égaux et opposés de chaque côté du graphène. En raison de la structure atomique symétrique du graphène, ces courants se reflètent et s'annulent, ne laissant aucun courant détectable.

Mais et si un seul électron pouvait traverser le graphène et que son voyage pouvait être capturé et suivi en temps réel ? Ce « tunneling » quasi instantané était le résultat inattendu de la modification par l'équipe de différents échantillons de graphène.

"C'est ce que j'aime le plus dans la science :la véritable découverte vient de choses auxquelles on ne s'attend pas", a déclaré Hassan. "En entrant dans le laboratoire, vous anticipez toujours ce qui va se passer, mais la vraie beauté de la science réside dans les petites choses qui se produisent et qui vous amènent à approfondir vos recherches. Une fois que nous avons réalisé que nous avions obtenu cet effet tunnel, nous avons dû en savoir plus."

À l'aide d'un phototransistor au graphène disponible dans le commerce qui a été modifié pour introduire une couche de silicium spéciale, les chercheurs ont utilisé un laser qui s'éteint et se rallume à une fréquence de 638 attosecondes pour créer ce que Hassan a appelé « le transistor quantique pétahertz le plus rapide au monde ».

Un transistor est un dispositif qui agit comme un commutateur ou un amplificateur électronique qui contrôle le flux d'électricité entre deux points et est fondamental pour le développement de l'électronique moderne.

"Pour référence, une seule attoseconde équivaut à un quintillionième de seconde", a déclaré Hassan. "Cela signifie que cette réalisation représente un grand pas en avant dans le développement des technologies informatiques ultrarapides en réalisant un transistor à vitesse pétahertz."

Bien que certaines avancées scientifiques se produisent dans des conditions strictes, notamment de température et de pression, ce nouveau transistor a fonctionné dans des conditions ambiantes, ouvrant ainsi la voie à la commercialisation et à l'utilisation dans l'électronique quotidienne.

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