Et si des impulsions de lumière ultra-rapides pouvaient faire fonctionner des ordinateurs à des vitesses un million de fois plus rapides que les meilleurs processeurs d'aujourd'hui? Une équipe de scientifiques, y compris des chercheurs de l'Université de l'Arizona, s'efforce de rendre cela possible.
Dans un effort international, des chercheurs du Département de physique du College of Science et du James C. Wyant College of Optical Sciences ont démontré un moyen de manipuler des électrons en graphène en utilisant des impulsions de lumière qui durent moins d'un million de secondes de seconde. En tirant parti d'un effet quantique connu sous le nom de tunneling, ils ont enregistré des électrons contournant une barrière physique presque instantanément, un exploit qui redéfinit les limites potentielles de la puissance de traitement informatique.
Une étude publiée dans Communications de la nature Souligne comment la technique pourrait entraîner des vitesses de traitement dans la gamme Petahertz – plus de 1 000 fois plus rapidement que les puces informatiques modernes.
L'envoi de données à ces vitesses révolutionnerait l'informatique tel que nous les connaissons, a déclaré Mohammed Hassan, professeur agrégé de physique et de sciences optiques. Hassan a longtemps poursuivi la technologie informatique basée sur la lumière et a précédemment dirigé les efforts pour développer le microscope électronique le plus rapide au monde.
« Nous avons connu un énorme bond en avant dans le développement de technologies comme les logiciels d'intelligence artificielle, mais la vitesse du développement matériel ne bouge pas aussi rapidement », a déclaré Hassan. « Mais, en s'appuyant sur la découverte d'ordinateurs quantiques, nous pouvons développer du matériel qui correspond à la révolution actuelle dans les logiciels de technologie de l'information. Les ordinateurs ultra-rapides aideront grandement les découvertes dans la recherche spatiale, la chimie, les soins de santé et plus encore. »
Hassan a travaillé aux côtés d'un collègue Nikolay Golubev, professeur adjoint de physique; Mohamed Sennary, un étudiant diplômé étudiant l'optique et la physique; Jalil Shah, érudit postdoctoral de la physique; et Mingrui Yuan, un étudiant diplômé en optique. Ils ont été rejoints par des collègues du California Institute of Technology Propulsion Laboratory et de l'Université Ludwig Maximilian de Munich en Allemagne.
L'équipe étudiait à l'origine la conductivité électrique d'échantillons modifiés de graphène, un matériau composé d'une seule couche d'atomes de carbone. Lorsqu'un laser brille sur du graphène, l'énergie du laser excite les électrons dans le matériau, les faisant se déplacer et se former dans un courant.
Parfois, ces courants électriques s'annulent mutuellement. Hassan a déclaré que cela se produit parce que l'onde d'énergie du laser monte et descendit, générant des courants égaux et opposés de chaque côté du graphène. En raison de la structure atomique symétrique du graphène, ces courants se reflètent et s'annulent mutuellement, ne laissant aucun courant détectable.
Mais que se passe-t-il si un seul électron pouvait passer à travers le graphène et que son voyage pouvait être capturé et suivi en temps réel? Ce « tunneling » quasi-instantant était le résultat inattendu de l'équipe modifiant différents échantillons de graphène.
« C'est ce que j'aime le plus dans la science: la vraie découverte vient des choses auxquelles vous ne vous attendez pas », a déclaré Hassan. « En entrant dans le laboratoire, vous anticipez toujours ce qui se passera – mais la vraie beauté de la science est les petites choses qui se produisent, ce qui vous a amené à enquêter davantage. Une fois que nous avons réalisé que nous avions réalisé cet effet de tunneling, nous avons dû en savoir plus. »
En utilisant un phototransistor de graphène disponible dans le commerce qui a été modifié pour introduire une couche spéciale de silicium, les chercheurs ont utilisé un laser qui s'éteint et s'éteint à un rythme de 638 attosecondes pour créer ce que Hassan a appelé « le transistor quantique Petahertz le plus rapide du monde ».
Un transistor est un appareil qui agit comme un commutateur électronique ou un amplificateur qui contrôle le flux d'électricité entre deux points et est fondamental pour le développement de l'électronique moderne.
« Pour référence, un seul attoseconde est un quintille de seconde », a déclaré Hassan. « Cela signifie que cette réalisation représente un grand bond en avant dans le développement de technologies informatiques ultra-rapides en réalisant un transistor à vitesse pétahertz. »
Alors que certaines progrès scientifiques se produisent dans des conditions strictes, notamment la température et la pression, ce nouveau transistor a effectué dans des conditions ambiantes – ouvrant la voie à la commercialisation et à l'utilisation dans l'électronique quotidienne.
Hassan travaille avec le lancement de la technologie Arizona, le bureau qui travaille avec les enquêteurs pour commercialiser des inventions résultant de U of a Research afin d'innover les brevets et le marché. Alors que l'invention d'origine a utilisé un laser spécialisé, les chercheurs favorisent le développement d'un transistor compatible avec l'équipement disponible dans le commerce.
« J'espère que nous pourrons collaborer avec des partenaires de l'industrie pour réaliser ce transistor à vitesse Petahertz sur une puce », a déclaré Hassan. « L'Université de l'Arizona est déjà connue pour le microscope électronique le plus rapide au monde, et nous aimerions également être connus pour le premier transistor à vitesse de pétrole. »
