Allumer et éteindre la lumière avec un atome d'argent

La quantité de données échangées dans le monde entier via les réseaux de communication augmente à une vitesse vertigineuse. Actuellement, la quantité de données pour la communication filaire et mobile augmente chaque année de 23 et 57 pour cent respectivement. Cette croissance n'est pas prête de s'arrêter. Mais cela signifie aussi que tous les composants du réseau doivent devenir de plus en plus efficaces.

Parmi ces composants, on trouve ce que l'on appelle des modulateurs, qui transforment l'information, d'abord présente sous forme électrique, en signaux optiques. Les modulateurs ne sont donc rien d'autre que des commutateurs électriques rapides qui activent ou désactivent un signal laser au rythme des signaux électriques entrants. Les modulateurs sont installés par milliers dans les centres de calcul. Ils ont toutefois encore l'inconvénient d'être assez grands. Ils mesurent quelques centimètres et, utilisés en grand nombre, ils prennent beaucoup de place.

Du micro-modulateur au nanomodulateur

Il y a six mois déjà, le groupe de travail de Jürg Leuthold, professeur de photonique et de communication, a prouvé qu'il était possible de faire plus petit et de consommer moins d'énergie. A l'époque, les chercheurs avaient présenté un micromodulateur qui ne mesurait plus que 10 micromètres et qui était donc 10'000 fois plus petit que les modulateurs utilisés dans le commerce (voir Actualités ETH).

Aujourd'hui, Leuthold et ses collaborateurs passent à la vitesse supérieure. Ils ont développé le plus petit modulateur optique du monde. Leur dernier développement vient d'être présenté dans la revue spécialisée "Nano Letters".

Il n'est sans doute plus possible de faire plus petit : ce composant fonctionne au niveau d'atomes individuels. Cela correspond à une nouvelle réduction d'un facteur 1000, si l'on inclut l'interrupteur et le guide de lumière. Le commutateur proprement dit est toutefois encore plus petit - atomiquement petit. Le modulateur est même beaucoup plus petit que la longueur d'onde de la lumière utilisée. Pour la transmission optique des signaux dans les télécommunications, on utilise une lumière laser d'une longueur d'onde de 1,55 micromètre. Normalement, cette taille détermine la dimension la plus petite possible du composant. "Jusqu'à récemment, même moi je pensais qu'il était impossible de descendre en dessous de cette limite", souligne Leuthold.

Nouvelle structure

Mais son postdoc Alexandros Emboras a fait mentir les lois de l'optique en réalisant un nouveau montage pour la construction d'un modulateur. Cette structure a permis d'atteindre l'ordre de grandeur d'atomes individuels, bien que les chercheurs aient utilisé une lumière de "longueur d'onde standard".

Le modulateur d'Embora est composé de deux minuscules plaquettes, l'une en argent et l'autre en platine, sur un guide d'ondes lumineuses en silicium. Les deux plaquettes sont disposées l'une à c?té de l'autre à une distance de quelques nanomètres seulement, une petite protubérance de la plaquette d'argent pénétrant dans la fente et touchant presque la plaquette de platine.

Court-circuit gr?ce à l'atome d'argent

Et voici comment fonctionne le modulateur : la lumière qui sort d'une fibre optique est transmise à l'entrée de la fente via la fibre optique. Au-dessus de la surface métallique, la lumière se transforme en plasmon de surface. On parle de plasmons lorsque la lumière cède son énergie aux électrons de la couche atomique la plus externe de la surface métallique et les fait osciller. Ces oscillations d'électrons ont un diamètre beaucoup plus petit que le faisceau lumineux lui-même. Elles peuvent ainsi pénétrer dans la fente et passer par l'endroit étroit. De l'autre c?té de la fente, les oscillations des électrons peuvent à nouveau être converties en signaux optiques.

Si l'on applique maintenant une tension à la plaquette d'argent, un seul atome d'argent - mais tout au plus quelques-uns - se déplace vers la pointe de la dent et se place à son extrémité. Les plaquettes d'argent et de platine sont ainsi court-circuitées entre elles, de sorte qu'un courant électrique circule entre elles. Cela ferme le passage pour le plasmon ; l'interrupteur bascule et l'état passe de "marche" à "arrêt" ou inversement. Dès que la tension redescend en dessous d'une certaine valeur seuil, un atome d'argent redescend. L'espace s'ouvre, le plasmon circule, l'interrupteur est à nouveau en position "marche". Ce processus peut être répété des millions de fois.

Le professeur de l'ETH Mathieu Luisier, qui a participé à ce travail, a simulé le système avec un supercalculateur au CSCS de Lugano. Il a ainsi pu confirmer que le court-circuit à la pointe de la dent d'argent se produit en raison d'un seul atome.

Véritable signal numérique

Comme le plasmon ne se déplace que soit complètement, soit pas du tout à travers le passage étroit, il en résulte un véritable signal numérique - un un ou un zéro. "Nous obtenons ainsi un circuit numérique comme celui d'un transistor. Nous avons longtemps cherché une telle solution", explique Leuthold.

Le modulateur n'est pas encore prêt pour la production en série. Certes, il a l'avantage de fonctionner à température ambiante, contrairement à d'autres appareils qui travaillent à ces dimensions avec des effets quantiques. Mais pour un modulateur, il est encore assez lent : jusqu'à présent, il ne fonctionne que pour des fréquences de commutation allant jusqu'à la gamme des mégahertz. Les chercheurs de l'ETH souhaitent le régler pour des fréquences allant du giga au terahertz.

Améliorer les procédés de lithographie

Ils veulent également continuer à améliorer la méthode de lithographie qu'Emboras a développée de A à Z pour la construction de ces pièces, afin que de tels éléments puissent être créés de manière fiable à l'avenir. Actuellement, la fabrication ne réussit que dans un essai sur six. Les chercheurs considèrent toutefois que c'est déjà un succès, car les procédés de lithographie à l'échelle atomique sont un terrain inconnu.

Afin de poursuivre les recherches sur le nano-modulateur, Leuthold a renforcé son équipe. Pour élaborer une solution disponible dans le commerce, il faudrait toutefois davantage de ressources, fait-il remarquer. Malgré tout, le professeur de l'ETH est convaincu de pouvoir présenter avec son équipe une solution viable dans les années à venir.