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L'optronique, successeur de l'électronique, a-t-elle besoin d'excitons ?

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Le système en étoile produisant des photons avec des excitons. Crédit : Leonid Butov/UCSD

Des physiciens viennent de créer un nouveau type de circuit intégré, destiné à l'optronique. Il devrait permettre, entre autres, de coupler plus efficacement les systèmes de communications optiques avec les circuits électroniques. La clé pour cette performance : des excitons.

Les réseaux de télécommunications optiques sont très efficaces pour transmettre de grandes quantités de données sous la forme d'impulsions lumineuses. Toutefois, leur traitement à l'aide de circuits électroniques demande de convertir la lumière en paquets d'électrons qui, eux, peuvent être manipulés dans les semi-conducteurs pour effectuer des calculs.

Pourrait-on se passer complètement d'électronique ? La réponse est non. Il n'existe actuellement aucun moyen pratique de réaliser des opérations logiques avec la lumière elle-même. Certains physiciens croient que la solution réside dans une sorte de compromis, qui consisterait à convertir la lumière en excitons. Ces curieux objets, en effet, se comportent comme des sortes d'états intermédiaires entre les photons et les électrons.

Des chercheurs du groupe de Leonid Butov à l'Université de Californie (San Diego) ont mis cette idée en pratique en créant un nouveau type de composant électronique : le premier circuit intégré excitonique (Exic).

Les excitons font partie de ce qu'on appelle en mécanique quantique des quasi-particules. Sans être des particules élémentaires, comme les photons ou les électrons, elles se comportent à peu près comme elles en raison des règles de la théorie quantique. Un exemple bien connu de quasi-particule est celui des phonons, les quanta d'excitation sonores des réseaux cristallin dans un solide.

Les excitons, eux, sont constitués d'une paire liée formée d'un électron arraché à sa localisation initiale dans un solide et du trou chargé positivement qu'il a laissé. Cette paire électron-trou se forme dans un semi-conducteur sous l'action d'un photon absorbé. La situation est représentée par le schéma ci-dessous.

Crédit : Wallace, et al.

Comme un exciton se compose de deux particules chargées, il peut être facilement manipulé par des différences de potentiel. Lors d'une recombinaison du trou et de l'électron un photon est à nouveau produit. On est donc bien en présence d'un système qui réalise naturellement une interface commode entre systèmes de communication optique et systèmes électroniques de traitement de l'information.

Le circuit intégré réalisé par les chercheurs est constitué de puits quantiques doubles distants de plusieurs nanomètres dans lesquels les électrons et les trous sont piégés de telle sorte que leur recombinaison ne soit pas facilement possible. On peut alors manipuler les excitons sur de longues distances dans le circuit et les forcer à se recombiner à volonté. Les chercheurs ont employé de l'arséniure de gallium (GaAs) et trois sortes d'interrupteurs en étoile, chacun pouvant servir de porte d'entrée ou de sortie pour un signal optique. Un photon tombant sur l'un d'entre eux pourra donc être ré-émis à volonté, après sa transformation en exciton, par l'un des deux autres commutateurs.

Pour le moment, l'Exic ne fonctionne qu'à des températures très basses, en dessous de 40 K. Mais selon les chercheurs, en employant d'autres semi-conducteurs, il n'y a pas de raisons pour qu'un dispositif du même genre ne puisse fonctionner à des températures plus hautes.

En bonus, les membres de l'équipe ont démontré que ce système autorisait le refroidissement rapide d'un gaz d'excitons à des températures où leur nature bosonique doit commencer à se manifester. Il pourrait donc s'agir d'une voie pour étudier des condensats de Bose-Einstein.