Illustration de la structure or-graphène dans laquelle les ondes électroniques des charges réelles et virtuelles sont ciblées par deux impulsions laser ultrarapides. L’effet combiné peut être utilisé dans une porte logique ultrarapide. Crédit : Michael Osadciw, Université de Rochester.
La simulation de modèles scientifiques complexes sur l’ordinateur ou le traitement de grands volumes de données, comme le montage de matériel vidéo, nécessite une puissance de calcul et un temps considérables. Des chercheurs de la chaire de physique des lasers de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) et une équipe de l’université de Rochester, dans l’État de New York, ont démontré comment la vitesse des opérations informatiques fondamentales pourrait être multipliée par un million à l’avenir grâce à des impulsions laser. Leurs résultats ont été publiés le 11 mai 2022 dans la revue Nature.
La vitesse de calcul des processeurs des ordinateurs et des smartphones d’aujourd’hui est donnée par les transistors à effet de champ. Dans la compétition pour produire des appareils plus rapides, la taille de ces transistors est constamment réduite afin d’en faire tenir le plus possible sur les puces. Les ordinateurs modernes fonctionnent déjà à la vitesse vertigineuse de plusieurs gigahertz, ce qui se traduit par plusieurs milliards d’opérations de calcul par seconde. Les derniers transistors ne mesurent que 5 nanomètres (0,000005 millimètre), soit l’équivalent de quelques atomes à peine. Il y a des limites à ce que les fabricants de puces peuvent faire et, à un moment donné, il ne sera plus possible de fabriquer des transistors plus petits.
La lumière est plus rapide
Les physiciens travaillent dur pour contrôler l’électronique avec des ondes lumineuses. L’oscillation d’une onde lumineuse dure environ une femtoseconde, soit un millionième de milliardième de seconde. Le contrôle des signaux électriques par la lumière pourrait rendre les ordinateurs du futur plus d’un million de fois plus rapides, ce qui est l’objectif du traitement du signal en pétahertz ou de l’électronique à ondes lumineuses.
Des ondes lumineuses aux impulsions de courant
L’électronique est conçue pour transférer et traiter des signaux et des données sous forme d’informations logiques, en utilisant la logique binaire (1 et 0). Ces signaux peuvent également prendre la forme d’impulsions de courant.
Les chercheurs de la Chaire de physique des lasers ont étudié comment les ondes lumineuses peuvent être converties en impulsions de courant pour les besoins de la recherche. plusieurs années. Dans leurs expériences, les chercheurs éclairent une structure de graphene and gold electrodes with ultrashort laser pulses. The laser pulses induce electron waves in the graphene, which move toward the gold electrodes where they are measured as current pulses and can be processed as information.
Real and virtual charges
Depending on where the laser pulse hits the surface, the electron waves spread differently. This creates two types of current pulses which are known as real and virtual charges.
Tobias Boolakee. Credit: FAU/Johanna Hojer
“Imagine that graphene is a pool and the gold electrodes are an overflow basin. When the surface of the water is disturbed, some water will spill over from the pool. Real charges are like throwing a stone into the middle of the pool. The water will spill over as soon as the wave that has been created reaches the edge of pool, just like electrons excited by a laser pulse in the middle of the graphene,” explains Tobias Boolakee, lead author of the study and researcher at the Chair of Laser Physics.
“Virtual charges are like scooping the water from the edge of the pool without waiting for a wave to be formed. With electrons, this happens so quickly that it cannot be perceived, which is why it is known as a virtual charge. In this scenario, the laser pulse would be directed at the edge of the graphene right next to the gold electrodes.” Both virtual and real charges can be interpreted as binary logic (0 or 1).
Logic with lasers
The laser physicists at FAU have been able to demonstrate with their experiments for the first time that this method can be used to operate a logic gate – a key element in computer processors. The logic gate regulates how the incoming binary information (0 and 1) is processed. The gate requires two input signals, here electron waves from real and virtual charges, excited by two synchronized laser pulses. Depending on the direction and strength of the two waves, the resulting current pulse is either aggregated or erased. Once again, the electrical signal that the physicists measure can be interpreted as binary logic, 0 or 1.
“This is an excellent example of how basic research can lead to the development of new technology. Through fundamental theory and its connection with the experiments, we have uncovered the role of real and virtual charges which has opened the way to the creation of ultrafast logic gates,” says Ignacio Franco from the University of Rochester.
“It will probably take a very long time before this technology can be used on a computer chip. But at least we know that light wave electronics is a feasible technology,” adds Tobias Boolakee.
Reference: “Light-field control of real and virtual charge carriers” by Tobias Boolakee, Christian Heide, Antonio Garzón-Ramírez, Heiko B. Weber, Ignacio Franco and Peter Hommelhoff, 11 May 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04565-9
