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Si la rapidité des composants électroniques a augmenté de façon spectaculaire au cours des dernières décennies, les lois de la mécanique quantique imposent une limite maximale à leur fréquence de fonctionnement, récemment calculée par des chercheurs allemands et autrichiens.

Des expériences minutieuses

Rien ne va plus vite que la lumière, et cela vaut pour l’électronique : les systèmes qui utilisent la lumière pour contrôler l’électricité sont les dispositifs les plus rapides. Dans cette nouvelle étude publiée dans la revue Nature Communications, des chercheurs de l’université technique de Vienne, de l’université technique de Graz et de l’Institut Max Planck d’optique quantique ont déterminé la vitesse maximale que peut atteindre l’optoélectronique.

L’équipe a mené des expériences impliquant des matériaux semi-conducteurs et des lasers. Le semi-conducteur était soumis à une impulsion laser ultracourte, faisant passer les électrons du matériau dans un état d’énergie supérieur, leur permettant de se déplacer librement. Dans un second temps, une deuxième impulsion laser, légèrement plus longue, les envoyait dans une certaine direction, produisant un courant électrique.

Grâce à cette technique, ainsi qu’à des simulations informatiques complexes, l’équipe a frappé les semi-conducteurs avec des impulsions laser de plus en plus courtes. Mais à un certain point, le processus a commencé à se heurter à une bizarrerie quantique connue sous le nom de principe d’incertitude d’Heisenberg.

Des impulsions laser ultracourtes (en bleu) transmettent de l’énergie aux électrons d’un semi-conducteur, puis une seconde impulsion laser (en rouge) les accélère dans certaines directions pour produire un courant électrique — © TU Wien

Dans ce cas, l’utilisation d’impulsions laser plus courtes permet aux observateurs de savoir exactement quand les électrons gagnent de l’énergie, mais au prix d’une certitude moindre concernant la quantité qui leur est transférée. Ce qui constitue un problème majeur pour les appareils électroniques, car ne pas connaître les énergies exactes des électrons signifie qu’ils ne peuvent pas être contrôlés avec précision.

Un pétahertz

À partir de ces données, l’équipe a calculé la limite supérieure absolue de la vitesse que les systèmes optoélectroniques pourraient atteindre : un pétahertz, soit un million de gigahertz. Il s’agit d’une limite stricte, qui ne peut être contournée car elle est inscrite dans les lois mêmes de la physique quantique.

Bien sûr, il est peu probable que nous ayons un jour à nous en préoccuper directement. Selon l’équipe, d’autres obstacles technologiques se dresseront bien avant que les dispositifs optoélectroniques n’atteignent le domaine du PHz. Mais la compréhension de cette limite difficilement atteignable pourrait aider à développer de meilleurs appareils électroniques.

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