Technologie térahertz ultrarapide via des métadispositifs électroniques

Les télécommunications ultrarapides à des fréquences térahertz sont désormais possibles à l'aide de "métadispositifs électroniques", ce qui pourrait ouvrir la voie à la prochaine génération de gadgets rapides. La façon dont ces nouveaux appareils contrôlent les champs électriques est similaire à la façon dont les capes d'invisibilité manipulent la lumière, la chaleur et le son, selon une nouvelle étude.

Au fur et à mesure que l'électronique se rétrécit, conformément à la loi de Moore, elle est confrontée à de nombreux défis pour atteindre des applications pratiques. Souvent, les problèmes rencontrés par ces dispositifs entraînent des performances nettement inférieures à ce à quoi on pourrait s'attendre, compte tenu du potentiel des matériaux semi-conducteurs à partir desquels ils sont fabriqués.

Par exemple, les petits appareils ne peuvent contenir que quelques volts en raison de champs électriques extrêmement élevés, ce qui limite la puissance maximale qu'ils peuvent fournir. De plus, les fréquences de fonctionnement maximales des gadgets miniatures sont souvent considérablement limitées par des capacités parasites élevées inévitables. De plus, les jonctions à effet tunnel de pointe, largement utilisées dans les transistors et les diodes, présentent une résistance de contact élevée, c'est-à-dire une résistance électrique à leurs points de contact avec d'autres composants, ce qui limite les performances globales des dispositifs.

Pour surmonter ces défis, dans la nouvelle étude, les chercheurs se sont inspirés des récentes avancées extraordinaires réalisées avec les métamatériaux, qui sont conçus pour posséder des caractéristiques que l'on ne trouve généralement pas dans la nature, telles que la capacité de plier la lumière de manière inattendue. Un tel travail a conduit à des capes d'invisibilité qui peuvent cacher des objets de la lumière, du son, de la chaleur et d'autres types d'ondes.

Les métamatériaux optiques, qui sont conçus pour manipuler la lumière, possèdent des structures avec des motifs répétitifs à des échelles plus petites que les longueurs d'onde de la lumière qu'ils influencent. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont développé des dispositifs qui sont conçus de manière similaire, en ce sens qu'ils possèdent des structures à plus petite échelle que les interactions électromagnétiques collectives ondulatoires qu'ils sont développés pour contrôler.

"Nous avons développé de nouveaux types d'appareils qui sont des alternatives aux transistors et aux diodes et permettent des vitesses beaucoup plus élevées", explique l'auteur principal de l'étude, Mohammad Samizadeh Nikoo, ingénieur électricien à l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich. "Nous appelons ce concept des 'métadispositifs électroniques', et il peut faire bien plus qu'un appareil normal."

Dans un dispositif électronique classique, on pourrait trouver deux bornes rectangulaires séparées par un espace rectangulaire. Dans un métadispositif électronique, on pourrait plutôt voir une paire de terminaux ayant chacun la forme d'une clé, les dents d'une clé s'emboîtant dans les espaces de l'autre, et vice versa. L'écart entre ces bornes en forme de clé est en forme de zigzag au lieu d'être droit. La taille précise et les autres caractéristiques des composants d'un métadispositif électronique aident à déterminer les fréquences qu'il manipule et ses effets.

Les appareils électroniques normaux "sont basés sur le contrôle des électrons - il y a une porte qui laisse passer les électrons ou les force à s'arrêter", explique Samizadeh Nikoo. En revanche, les métadispositifs électroniques contrôlent les micro-ondes, les ondes millimétriques, les térahertz et d'autres signaux électromagnétiques radiofréquences "sans injecter un seul électron", dit-il.

Les scientifiques notent que ce concept peut généralement s'appliquer à n'importe quelle plate-forme semi-conductrice, y compris les systèmes CMOS conventionnels, le diamant et les matériaux 2D récents. "Cette nouvelle technologie peut changer l'avenir des communications à très haut débit, car elle est compatible avec les processus existants dans la fabrication de semi-conducteurs", a déclaré Samizadeh Nikoo.

Ces nouveaux dispositifs peuvent aider à surmonter un défi majeur auquel l'électronique est désormais confrontée avec rapidité. Les communications sans fil actuelles peuvent utiliser des signaux aussi rapides que des dizaines de gigahertz ; les futures communications 6G nécessitent des signaux aussi rapides que 1 térahertz. "Les appareils électroniques traditionnels comme les transistors, cependant, ne peuvent pas fonctionner à des vitesses aussi élevées, ce qui est souvent appelé l'écart térahertz", explique Samizadeh Nikoo. "Il s'agit d'un goulot d'étranglement majeur dans le développement des technologies futures."

Dans des expériences, les chercheurs ont créé des commutateurs térahertz sur une plate-forme de nitrure d'aluminium et d'indium et de nitrure de gallium. "Nous avons démontré une transmission de données jusqu'à 100 gigabits par seconde à des fréquences térahertz, ce qui est 10 fois plus élevé que ce que nous avons aujourd'hui avec la 5G", déclare Samizadeh Nikoo. "Nos résultats montrent que les métadispositifs électroniques ont le potentiel de fonctionner encore plus rapidement, permettant des liaisons sans fil avec des débits de données de térabit par seconde, ce qui peut avoir un impact important sur la façon dont nous communiquons les données et dont nous les traitons."

Les commutateurs térahertz conventionnels tombent en panne lorsqu'ils sont poussés à plus de quelques volts, "ce qui signifie qu'ils sont très sensibles aux décharges électrostatiques et qu'ils se cassent facilement", explique Samizadeh Nikoo. "Les métadispositifs électroniques sont très robustes et affichent des tensions de claquage dans une plage de quelques dizaines de volts."

La nouvelle étude a révélé que les métadispositifs électroniques pouvaient également surpasser les dispositifs à semi-conducteurs classiques à plusieurs autres égards. Par exemple, ils affichent une résistance de contact beaucoup plus faible que les jonctions à effet tunnel, ce qui suggère que les métadispositifs électroniques pourraient être utilisés non seulement comme commutateurs térahertz mais aussi comme amplificateurs térahertz, selon les chercheurs.

"Nous pouvons penser à une nouvelle génération d'électronique à semi-conducteurs avec des applications dans les systèmes ultra-rapides, tels que la 6G et au-delà", déclare Samizadeh Nikoo.

Les scientifiques ont détaillé leurs découvertes en ligne le 15 février dans la revue Nature.