La physique quantique impose une limite de vitesse à l’électronique

À quelle vitesse l’électronique peut-elle aller ? Lorsque les puces informatiques fonctionnent avec des signaux et des intervalles de temps de plus en plus courts, elles se heurtent à un moment donné à des limites physiques. Les processus de mécanique quantique qui permettent la génération de courant électrique dans un matériau semi-conducteur prennent un certain temps. Cela limite la vitesse de génération et de transmission du signal.

TU Wien (Vienne), TU Graz et l’Institut Max Planck d’optique quantique de Garching ont maintenant pu explorer ces limites : la vitesse ne peut certainement pas être augmentée au-delà d’un pétahertz (un million de gigahertz), même si le matériau est excité dans manière optimale avec des impulsions laser. Ce résultat vient d’être publié dans la revue scientifique Communication Nature.

Champs et courants

Le courant électrique et la lumière (c’est-à-dire les champs électromagnétiques) sont toujours liés. C’est également le cas en microélectronique : dans les micropuces, l’électricité est contrôlée à l’aide de champs électromagnétiques. Par exemple, un champ électrique peut être appliqué à un transistor, et selon que le champ est allumé ou éteint, le transistor laisse passer le courant électrique ou le bloque. De cette manière, un champ électromagnétique est converti en un signal électrique.

Afin de tester les limites de cette conversion des champs électromagnétiques en courant, des impulsions laser – les champs électromagnétiques les plus rapides et les plus précis disponibles – sont utilisées, plutôt que des transistors.

“Les matériaux étudiés ne conduisent pas du tout l’électricité au départ”, explique le professeur Joachim Burgdörfer de l’Institut de physique théorique de la TU Wien. “Ceux-ci sont frappés par une impulsion laser ultra-courte avec une longueur d’onde dans la gamme UV extrême. Cette impulsion laser déplace les électrons vers un niveau d’énergie plus élevé, de sorte qu’ils peuvent soudainement se déplacer librement. De cette façon, l’impulsion laser transforme le matériau en un conducteur électrique pendant une courte période de temps.” Dès qu’il y a des porteurs de charge en mouvement libre dans le matériau, ils peuvent être déplacés dans une certaine direction par une seconde impulsion laser légèrement plus longue. Cela crée un courant électrique qui peut ensuite être détecté avec des électrodes des deux côtés du matériau.

Ces processus se produisent extrêmement rapidement, sur une échelle de temps d’atto- ou femtosecondes. “Pendant longtemps, de tels processus étaient considérés comme instantanés”, explique le professeur Christoph Lemell (TU Wien). “Aujourd’hui, cependant, nous disposons de la technologie nécessaire pour étudier en détail l’évolution temporelle de ces processus ultrarapides.” La question cruciale est : à quelle vitesse le matériau réagit-il au laser ? Combien de temps dure la génération du signal et combien de temps faut-il attendre jusqu’à ce que le matériau puisse être exposé au signal suivant ? Les expériences ont été menées à Garching et à Graz, le travail théorique et les simulations informatiques complexes ont été réalisées à la TU Wien.

Du temps ou de l’énergie, mais pas les deux

L’expérience conduit à un dilemme d’incertitude classique, comme cela se produit souvent en physique quantique : pour augmenter la vitesse, des impulsions laser UV extrêmement courtes sont nécessaires, de sorte que des porteurs de charge libres se créent très rapidement. Cependant, l’utilisation d’impulsions extrêmement courtes implique que la quantité d’énergie qui est transférée aux électrons n’est pas définie avec précision. Les électrons peuvent absorber des énergies très différentes. “Nous pouvons dire exactement à quel moment les porteurs de charge libres sont créés, mais pas dans quel état d’énergie ils se trouvent”, explique Christoph Lemell. “Les solides ont différentes bandes d’énergie, et avec de courtes impulsions laser, beaucoup d’entre eux sont inévitablement peuplés de porteurs de charge libres en même temps.”

Selon la quantité d’énergie qu’ils transportent, les électrons réagissent très différemment au champ électrique. Si leur énergie exacte est inconnue, il n’est plus possible de les contrôler avec précision et le signal de courant produit est déformé, en particulier à des intensités laser élevées.

“Il s’avère qu’environ un pétahertz est une limite supérieure pour les processus optoélectroniques contrôlés”, explique Joachim Burgdörfer. Bien sûr, cela ne signifie pas qu’il est possible de produire des puces informatiques avec une fréquence d’horloge juste en dessous d’un pétahertz. Les limites supérieures techniques réalistes sont très probablement considérablement inférieures. Même si les lois de la nature déterminant les limites de vitesse ultimes de l’optoélectronique ne peuvent être déjouées, elles peuvent désormais être analysées et comprises grâce à de nouvelles méthodes sophistiquées.