Le premier transistor de température ambiante tout optique ultrarapide au monde

Couverture de le numéro de juin de Nature Photonics. Image :Anton V. Zasedatelev, Skoltech. Conception de la couverture :Bethany Vukomanovic

Les ordinateurs numériques modernes ont changé nos vies de diverses manières, mais la technologie sur laquelle ils sont construits peut encore être améliorée. Alors que les charges de travail de calcul continuent d'augmenter en raison de quantités massives de données et de techniques telles que l'intelligence artificielle, des technologies informatiques plus puissantes deviennent d'une importance primordiale.

Deux des principaux piliers de nos ordinateurs numériques modernes sont le transistor électronique et l'architecture informatique de von-Neumann. Alors que l'architecture von-Neumann a établi la séparation physique des tâches informatiques telles que le stockage et le traitement, les transistors sont les éléments constitutifs fondamentaux de nos ordinateurs numériques. En remplissant toujours plus de transistors sur des puces de plus en plus petites, nous en sommes venus à construire des appareils comme nos smartphones avec des ordres de grandeur plus puissants que les gros ordinateurs utilisés par la NASA pour faire atterrir les premiers hommes sur la lune.

Mais aucune de ces inventions n'est garantie pour rester avec nous pour toujours. En fait, ces dernières années, nous avons assisté à un regain d'intérêt pour des composants et des architectures radicalement différents. L'avenir de l'informatique peut comprendre du matériel informatique adapté à l'IA, en mémoire, analogique et quantique. Chez IBM, les chercheurs explorent ce type de nouvelles technologies depuis de nombreuses années et étudient de manière générale les concepts physiques qui pourraient être exploités pour alimenter notre future infrastructure de traitement de l'information.

Équipe IBM Research – Zurich :(de gauche à droite ) Fabio Scafirimuto, Thilo Stöferle, Darius Urbonas, Rainer Mahrt

Désormais, notre équipe de l'IBM Research Lab à Zurich avec nos partenaires du laboratoire de recherche du professeur Pavlos Lagoudakis du Skolkovo Institute of Science and Technology et de Southampton (une collaboration établie dans le cadre du réseau de formation européen Horizon-2020 SYNCHRONICS) , a réussi à construire le tout premier transistor tout optique en cascade capable de fonctionner à température ambiante. L'équipe y est parvenue en exploitant les propriétés matérielles d'un polymère semi-conducteur organique. Sur la base de ce matériau, une microcavité a été conçue dans laquelle un signal optique entrant (un faisceau laser) peut être activé et désactivé ou amplifié par un autre faisceau laser.

Le travail est présenté sur la couverture de la dernière édition de la revue à comité de lecture Nature Photonics.

Pourquoi c'est important

Les composants tout optiques qui manipulent les informations avec la lumière seule pourraient permettre une commutation et des opérations logiques beaucoup plus rapides, ainsi que fournir des blocs de construction pour de nouvelles applications telles que le routage de «qubits volants» à partir de la transduction optique micro-onde quantique ou de l'informatique quantique aveugle. Mais de tels composants tout optiques sont très difficiles à construire. Et en fait, les efforts pour fabriquer des ordinateurs entièrement optiques existent depuis environ 50 ans.

Afin de commuter ou d'amplifier un signal optique avec un autre signal optique, un matériau qui médie l'interaction est nécessaire. C'est juste dans la nature quantique des faisceaux lumineux qu'ils n'interagissent pas les uns avec les autres dans le vide. Dans notre transistor, la partie médiatrice est assurée par des quasi-particules appelées excitons-polaritons. Ils surviennent dans un semi-conducteur organique (poly-[paraphénylène] de type échelle à substitution méthyle ou MeLPPP) fourni par notre partenaire de longue date, le professeur Ullrich Scherf de l'Université de Wuppertal. Nous avons placé une couche mince de 35 nanomètres de MeLPPP entre deux miroirs hautement réfléchissants pour former une cavité optique dans laquelle des polaritons d'excitons ont été produits à l'aide d'un laser. Un exciton-polariton consiste en la superposition d'un exciton (une paire électron-trou) et d'un photon. C'est pourquoi notre appareil entre dans la catégorie des transistors à polaritons organiques.

Pavlos Lagoudakis, Institut des sciences et technologies de Skolkovo, Université de Southampton

Notre transistor est non seulement le premier du genre à fonctionner dans des conditions ambiantes, mais il fournit également une amplification du signal optique sans précédent de 6 500 fois avec une longueur de dispositif de quelques micromètres seulement. C'est 330 fois plus élevé que l'amplification atteinte par son homologue inorganique et permet la cascadabilité, qui est une condition nécessaire pour utiliser le transistor pour les portes logiques. Dans les expériences, notre appareil a également présenté le gain optique net le plus élevé jamais observé pour un transistor optique (~10 dB/micromètre).

De plus, notre transistor dispose d'une commutation ultrarapide dans la gamme sub-picoseconde, ce qui le rend comparable en termes de vitesse de commutation multi-térahertz à certains dispositifs tout optique précédents avec l'avantage supplémentaire que notre dispositif ne nécessite pas de refroidissement cryogénique pour fonctionner.

Il est important de noter que notre transistor polariton organique supprime une autre limitation présente dans ses homologues inorganiques qui est pertinente à des fins pratiques. Dans les microcavités à polaritons inorganiques, le laser de pompage utilisé pour déclencher la réponse du transistor doit être dirigé vers le dispositif sous certains angles uniquement. Dans notre dispositif organique, il n'y a pas d'exigence spécifique sur l'angle du laser de pompe, ce qui donne une bien plus grande flexibilité dans la géométrie du réglage et permet le pig-tailing de fibre du dispositif optique ou la création de circuits plans intégrés avec celui-ci. Lisez la suite pour savoir comment nous y sommes parvenus.

Pour les experts :comment nous l'avons fait

  Dans notre matériau, les états énergétiques des excitons-polaritons sont donnés par plusieurs branches dites de polaritons, qui résultent d'une forte interaction lumière-matière des photons de la cavité avec les excitons. Notre stratégie a consisté à utiliser la nature bosonique des excitons-polaritons et l'apparition de fortes excitations vibrationnelles dans notre semi-conducteur organique pour déclencher une relaxation de type avalanche des excitons vers la branche de polariton la plus basse (état fondamental). Nous nous attendions à ce que ce canal de relaxation médié par les vibrons soit suffisamment puissant pour supplanter les multiples canaux de conversion internes de notre matériau. Et nos attentes ont été complètement confirmées par les expériences.

Réaliser une amplification vraiment géante

Dans un premier temps, nous avons utilisé un laser de pompe pour produire une large population d'excitons chauds. Nous avons réglé la longueur d'onde de ce laser pour produire des excitons avec une énergie exactement un quantum d'énergie vibronique au-dessus de la branche de polariton inférieure dans notre microcavité. Le mode vibronique que nous avons exploité ici correspond à un « mode de respiration » dans lequel les unités aromatiques en forme d'anneau au sein du polymère se contractent et se dilatent d'une manière qui ressemble à un poumon respiratoire. Comme indiqué ci-dessus, nous n'avions à nous soucier que de l'énergie des photons du laser de pompage, mais pas de leur composante de quantité de mouvement dans le plan. Ceci est possible en raison de la large diffusion de la distribution de la quantité de mouvement des excitons fortement localisés dans notre matériau. Cela signifie que l'exigence stricte d'adaptation de phase typique des microcavités inorganiques n'est pas pertinente dans notre système, et il peut être pompé à presque n'importe quel angle.

Puce en verre circulaire montée qui contient le microrésonateur optique pour le transistor polariton organique.

Avec l'augmentation de la densité d'excitation de la pompe, nous avons observé une transition du régime linéaire vers le régime non-linéaire, avec la densité seuil se situant à environ 82 μJ cm ⁻² . Pour abaisser le seuil et accélérer davantage la relaxation des excitons vers l'état fondamental du polariton, nous avons ensemencé cet état fondamental avec un faisceau de contrôle. Cet ensemencement s'est avéré très efficace pour accélérer le processus de relaxation, malgré le fait que la densité d'excitation du faisceau de contrôle a été maintenue constante à environ 20 nJ cm ⁻² , plus de trois ordres de grandeur plus faible que la pompe non résonante. En semant l'état fondamental du polariton, nous avons observé un seuil de condensation de polariton presque deux fois plus bas, tandis que le taux de relaxation d'exciton à polariton était multiplié par 50 sous la même densité d'excitation optique non résonante.

Commutation tout optique ultrarapide

Des temps de commutation sub-picoseconde ont été obtenus grâce à la combinaison de la dynamique de relaxation des excitons ultrarapide, inhérente aux semi-conducteurs organiques, et de la durée de vie de la cavité sub-picoseconde de notre dispositif. Dans notre configuration, le faisceau de pompage formait l'état d'adresse qui était déclenché par le faisceau de contrôle. En maintenant l'énergie de commutation du faisceau de contrôle à 1 pJ, nous avons atteint un taux d'extinction maximal (déterminé comme le rapport d'intensité entre l'état « 1 » et « 0 ») de 17 dB. Le temps de réponse pour basculer entre les deux états logiques était d'environ 500 femtosecondes.

Enfin, nous avons démontré le potentiel des transistors à polaritons organiques pour la mise en cascade en mettant en œuvre une amplification en cascade à deux étages. Dans notre schéma, l'émission de condensats (Adresse 1) du premier étage est redirigée sur la « puce » et encore amplifiée par une seconde pompe. De plus, nous avons utilisé le concept d'amplification en cascade pour démontrer le fonctionnement des portes logiques OU et ET en couplant trois transistors à polaritons sur la même "puce" à l'aide d'une configuration optique pompe-double sonde.

Anton Baranikov, Institut des sciences et technologies de Skolkovo et Anton Zasedatelev, Institut des sciences et technologies de Skolkovo, Université de Southampton

Résumé

Nos expériences démontrent une condensation de polaritons dynamique médiée par des vibrons dans une microcavité organique dans des conditions ambiantes, permettant une amplification de polaritons tout optique, une commutation à des échelles de temps inférieures à la picoseconde ainsi qu'une cascadabilité et un fonctionnement des portes logiques OU et ET. Un contrôle efficace de l'état de l'adresse permet une commutation fiable entre les niveaux logiques « bas » et « élevés » avec une réponse transitoire ultrarapide, tandis que le gain net géant de la structure donne lieu à une amplification optique record à l'échelle micrométrique.

Les principes développés de condensation de polaritons dynamiques en combinaison avec le flux de polaritons sans friction récemment observé dans les microcavités organiques [Lerario et al., Nat. Phys. 2017], ouvrent la voie aux circuits sur puce avec une opérabilité logique ultrarapide, tout optique. Si l'on pouvait par ailleurs exploiter de fortes interactions polariton-polariton, où des progrès importants viennent d'être montrés en début d'année avec les microcavités inorganiques [Delteil et al., Nat. Tapis. 2019 et Munoz-Matutano et al., Nat. Tapis. 2019], de tels transistors seraient capables de fonctionner avec seulement quelques photons, réduisant ainsi considérablement l'énergie de commutation requise au régime attojoule.

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Un transistor polariton organique à température ambiante, 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)