Les chercheurs ont développé une technologie révolutionnaire qui résout une limite fondamentale de l’électronique.
Cette nouvelle technologie, surnommée un «commutateur optoexcitonique», pourrait conduire à une nouvelle classe d’électronique – allant des téléphones et des PC aux centres de données et aux ordinateurs quantiques qui peuvent fonctionner sans générer de la chaleur des déchets.
Le nouveau commutateur fonctionne comme un commutateur électronique conventionnel, qui utilise une charge électrique pour contrôler le flux d’électrons dans un système. Les commutateurs dirigent le flux d’énergie ou contrôlent la transmission des signaux dans un appareil.
Parce que ces électrons sont chargés, ils produisent de la «chaleur des déchets». C’est pourquoi votre ordinateur portable devient chaud lorsque vous jouez un jeu vidéo exigeant et pourquoi les centres de données massifs fonctionnent à des températures extraordinairement élevées.
Les nouveaux «commutateurs excitoniques», en revanche, comptent sur des «excitons» chargés de manière neutre – une classe de quasiparticules créés par un «excitant» un électron de telle manière qu’il est retiré de sa position dans un atome.
Ces électrons excités laissent derrière lui un trou qui se lie à l’électron libre. Ensemble, l’électron en mouvement libre, qui a maintenant une charge négative, et le trou qu’il laisse derrière, qui a une charge positive, forment un seul quasiparticule appelé « exciton » qui reste à chargé neutre. Comme les excitons ont une charge neutre, ils ne produisent pas de chaleur lorsqu’ils transfèrent des informations.
La puissance de la lumière
The Breakthrough Research, publié le 31 août dans la revue Nano ACSc’est la première fois que des excitons sont utilisés pour créer un commutateur qui dépasse les performances des commutateurs photoniques actuels et réalise les performances globales de pointe.
« L’électronique devient chaud, et c’est parce que les appareils électroniques ont toujours des condensateurs », co-auteur de l’étude Parag Deotoreprofesseur agrégé de génie électrique, d’ingénierie informatique et de physique appliquée, a déclaré à Live Science. « Chaque fois que vous stockez de l’énergie ou que vous libérez cette énergie, vous la chauffez. Un exciton est une nouvelle particule neutre de charge, comme un photon, qui ne produit pas cette chaleur. »
Le nouvel appareil utilise des excitons pour surmonter le problème de chaleur et améliore la conception électronique en rétrécissant les commutateurs utilisés pour déplacer les informations par deux ordres de grandeur.
Deotore a déclaré que l’objectif à long terme dans le développement de ces nouveaux commutateurs est de créer des circuits excitoniques qui fonctionnent si efficacement que les systèmes informatiques n’ont pas besoin de ventilateurs et que les téléphones peuvent garder leurs batteries chargées pendant des périodes beaucoup plus longues.
Tester «l’épaisseur magique»
Bien que la théorie derrière les commutateurs excitoniques soit solide, l’ingénierie et le test de la nouvelle technologie ont présenté le plus grand défi pour l’équipe. Dans un système électronique conventionnel, les électrons sont poussés là où ils doivent passer par une charge électrique à force brute. Les excitons n’ont pas cette option en raison de leur charge neutre.
Pour faire aller les excitons là où ils doivent aller, les scientifiques ont utilisé des photons chargés de manière neutre pour commander les excitons dans un réseau linéaire le long d’un plan unidimensionnel – ou de «crête».
L’équipe a créé les excitons, puis les a affectés par un nombre spécifique de photons, qui ont été absorbés à la pointe de la crête pour créer une population d’excitons, a déclaré Deotore. En d’autres termes, il s’agit d’une foule d’excitons groupés et de se tenant immobile au bas d’une ligne droite. L’équipe a ensuite appliqué plus de photons jusqu’à ce que les excitons commencent à bouger. S’ils ont ajouté trop de photons, les excitons n’ont pas suivi la crête; Trop peu de photons ont fait rester les excitons.
« Notre prédiction était que si vous les poussez suffisamment épais, le couplage lumineux aux excitons sera tel que la poussée va être détruite. Et ils pourraient le montrer. Donc, en gros, il devait avoir une épaisseur magique », co-auteur de l’étude Mackillo Kiraprofesseur de génie électrique et informatique, et codirecteur de l’Institut de recherche quantique de l’université, a déclaré à Live Science. «
Parce que la lumière agit comme une vague, les photons ont « poussé » les excitons une fois que l’épaisseur magique a été réalisée. L’observation de cette activité a confirmé les théories et a prouvé que l’expérience a été un succès, a ajouté Kira. « C’est en fait facile à vérifier pour les expériences, car la couleur de l’exciton changera au fur et à mesure que vous lancez la crête, a déclaré Kira.
Sur la base des résultats de l’expérience, le commutateur répond ou dépasse déjà les capacités de la technologie actuelle.
L’objectif ultime est d’échapper ces interrupteurs en circuits qui remplaceraient ostensiblement l’électronique actuelle. Selon les chercheurs, plusieurs avancées sont nécessaires pour atteindre cet objectif, notamment la recherche de nouveaux matériaux et le développement de techniques pour fabriquer et mettre à l’échelle les prototypes de dispositifs utilisés dans les expériences de l’équipe. Mais l’équipe pense que ces défis pourraient être surmontés en quelques décennies.
L’espoir est que les commutateurs et les circuits optoexcitoniques pourraient surmonter la chaleur des déchets – sans doute le plus gros problème de calcul. Cela permettrait des réductions massives de taille associées à des améliorations exponentielles des performances, ont déclaré les scientifiques.
