Premier transistor tout-optique ultrarapide à température ambiante établit un nouveau standard

Les ordinateurs numériques modernes ont redéfini la société, pourtant les technologies de base qui les alimentent ont encore une marge d'évolution significative. Alors que les volumes de données enflent et que les charges de travail d'intelligence artificielle croissent, la demande pour des plateformes de calcul plus puissantes et efficaces s'intensifie.

Le transistor électronique et l'architecture de von Neumann restent les deux piliers des systèmes actuels à base de silicium. En empilant toujours plus de transistors sur des puces plus petites, nous avons construit des dispositifs — smartphones, ordinateurs portables et serveurs — qui délivrent des ordres de grandeur plus de puissance de calcul que les premiers ordinateurs qui ont posé des humains sur la Lune. Pourtant, ces technologies ne sont pas le dernier chapitre de l'histoire de l'informatique.

Ces dernières années, un regain d'intérêt pour des composants et architectures radicalement différents a émergé, englobant le matériel optimisé pour l'IA, le calcul en mémoire et analogique, et les processeurs quantiques. IBM Research a longtemps été à l'avant-garde de l'exploration de tels concepts révolutionnaires, sondant les limites physiques qui pourraient façonner l'infrastructure de traitement de l'information de demain.

Maintenant, l'équipe IBM Research à Zurich, en collaboration avec des chercheurs de l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo (SIST) et de l'Université de Southampton, a annoncé le premier transistor tout-optique cascadable fonctionnant à température ambiante. Cette étape a été atteinte en exploitant les propriétés uniques d'un polymère semi-conducteur organique — le poly-[paraphénylène] de type échelle à méthyle substitué (MeLPPP) — pour créer une microcavité qui permet à un faisceau laser de commuter, amplifier ou supprimer un autre.

La percée est en couverture du dernier numéro de la revue à comité de lecture Nature Photonics.

Pourquoi c'est important

Les composants tout-optiques qui traitent l'information exclusivement avec la lumière promettent une commutation dramatiquement plus rapide, une consommation d'énergie plus faible et de nouvelles fonctionnalités telles que le routage de « qubits volants » pour la communication quantique ou l'activation du calcul quantique aveugle. Construire de tels dispositifs s'est toutefois avéré notoirement difficile, et la quête d'un ordinateur tout-optique dure depuis environ cinq décennies.

Pour commuter ou amplifier un signal optique avec un autre signal optique, un matériau médiateur est requis, car les photons dans le vide n'interagissent pas. Dans ce transistor, l'interaction est facilitée par des quasi-particules appelées exciton-polaritons, qui naissent dans le semi-conducteur organique. Une couche de 35 nanomètres de MeLPPP est prise en sandwich entre deux miroirs hautement réfléchissants pour former une cavité optique où les exciton-polaritons sont générés à l'aide d'un laser. Un exciton-polariton est un hybride d'une paire électron-trou (exciton) et d'un photon, plaçant ce dispositif carrément dans le domaine émergent des transistors polaritoniques organiques.

Ce transistor est le premier de son genre à fonctionner à température ambiante, offrant une amplification de signal optique sans précédent de 6 500 fois depuis un dispositif de seulement quelques micromètres de long. Cette amplification est 330 fois supérieure à ce qui a été atteint dans les homologues inorganiques, permettant la cascadabilité nécessaire pour les opérations logiques. Les expériences ont également révélé le gain optique net le plus élevé jamais enregistré pour un transistor optique — environ 10 dB/µm.

De plus, le dispositif commute dans le régime sub-picoseconde, atteignant des vitesses dans la gamme multi-térahertz sans besoin de refroidissement cryogénique — un avantage majeur sur les systèmes tout-optiques antérieurs.

Crucialement, le transistor polaritonique organique élimine une limitation pratique qui handicape les designs inorganiques : le laser de pompe dans les microcavités inorganiques doit être incident à un angle précis pour déclencher le transistor. Dans le dispositif organique, le laser de pompe peut être dirigé depuis pratiquement n'importe quel angle, offrant une flexibilité sans précédent pour intégrer le transistor dans des systèmes à fibres pigtaillées ou des circuits planaires sur puce.

Comment nous l'avons fait

Le paysage énergétique des états exciton-polariton est défini par plusieurs branches polaritoniques qui découlent du fort couplage lumière-matière entre photons de cavité et excitons. Notre stratégie a exploité la nature bosonique de l'exciton-polariton et la présence de modes vibrationnels prononcés dans le semi-conducteur organique pour induire une relaxation en avalanche des excitons chauds vers la branche polaritonique la plus basse (l'état fondamental). Cette voie de relaxation médiate par vibron a été conçue pour dominer sur les canaux de conversion interne concurrents, et les expériences ont confirmé son efficacité.

Atteindre une amplification véritablement géante

En première étape, nous avons utilisé un laser de pompe non résonnant pour générer une haute densité d'excitons chauds. La longueur d'onde de pompe était accordée pour produire des excitons dont l'énergie se situait exactement un quantum vibronique au-dessus de la branche polaritonique inférieure. Le mode vibronique choisi correspond à un mouvement de « respiration » des cycles aromatiques dans le polymère. Parce que les excitons fortement localisés présentent une large distribution de momentum, la composante de momentum dans le plan de la pompe est largement sans importance ; ainsi, la pompe peut être appliquée à essentiellement n'importe quel angle, évitant les contraintes strictes de phase-matching des microcavités inorganiques.

À mesure que la densité d'excitation de pompe augmentait, nous avons observé une transition claire du régime linéaire au non-linéaire, avec un seuil d'environ 82 µJ cm⁻². En ensemençant l'état polaritonique fondamental avec un faisceau de contrôle faible (≈ 20 nJ cm⁻² — plus de trois ordres de grandeur plus faible que la pompe non résonnante), nous avons abaissé le seuil de condensation près de deux fois et augmenté le taux de relaxation exciton-vers-polariton d'un facteur 50 sous les mêmes conditions de pompe.

Commutation tout-optique ultrarapide

Les temps de commutation sub-picoseconde résultent de la combinaison de la relaxation ultrarapide des excitons inhérente aux semi-conducteurs organiques et de la durée de vie sub-picoseconde de la cavité. Dans notre configuration, le faisceau de pompe établit l'état d'adresse, gâté par le faisceau de contrôle. Avec une énergie de contrôle de seulement 1 pJ, nous avons atteint un ratio d'extinction maximal de 17 dB (ratio des niveaux d'intensité « 1 » à « 0 ») et un temps de réponse de commutation d'environ 500 fs.

Enfin, nous avons démontré la cascadabilité du transistor en implémentant un schéma d'amplification à deux étages. L'émission du condensat du premier étage a été redirigée sur la puce et amplifiée davantage par une seconde pompe. En utilisant l'amplification en cascade, nous avons également réalisé des portes logiques OU et ET en couplant trois transistors polaritoniques sur la même puce dans une configuration pompe-double-sonde unique.

Résumé

Ces expériences mettent en lumière la condensation polaritonique dynamique médiate par vibron dans une microcavité organique à conditions ambiantes, permettant l'amplification tout-optique, la commutation sub-picoseconde et les opérations logiques cascadables. La combinaison de commutation fiable ultrarapide et de gain optique record pave la voie pour des circuits tout-optique sur puce capables d'opérations logiques à taux térahertz. Couplée aux récentes avancées dans les interactions polariton-polariton fortes observées dans les microcavités inorganiques, de tels transistors pourraient éventuellement opérer avec seulement quelques photons, poussant les énergies de commutation dans le régime attojoule.

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A room‑temperature organic polariton transistor, Anton V. Zasedatelev, Anton V. Baranikov, Darius Urbonas, Fabio Scafirimuto, Ullrich Scherf, Thilo Stöferle, Rainer F. Mahrt & Pavlos G. Lagoudakis, Nature Photonics, volume 13, pages 378–383 (2019)