Les scientifiques calculent la limite de vitesse quantique absolue pour l’électronique

Les scientifiques calculent la limite de vitesse quantique absolue pour l'électronique
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On a souvent l’impression que l’électronique continuera à devenir plus rapide pour toujours, mais à un moment donné, les lois de la physique interviendront pour y mettre un terme. Les scientifiques ont maintenant calculé la limite de vitesse ultime – le point auquel la mécanique quantique empêche les micropuces d’aller plus vite.

Il est bien connu que rien ne se déplace plus vite que la lumière, et cela est vrai pour l’électronique – les systèmes qui utilisent la lumière pour contrôler l’électricité, connus sous le nom d’optoélectronique, sont les appareils les plus rapides. Et dans la nouvelle étude, des chercheurs de TU Wien, TU Graz et de l’Institut Max Planck d’optique quantique ont identifié la limite supérieure de la vitesse à laquelle l’optoélectronique pourrait éventuellement atteindre.

L’équipe a mené des expériences en utilisant des matériaux semi-conducteurs et des lasers. Le semi-conducteur est frappé par une impulsion laser ultra-courte, qui déplace les électrons du matériau vers un état d’énergie plus élevée, leur permettant de se déplacer librement. Ensuite, une seconde impulsion laser légèrement plus longue les envoie dans une certaine direction, produisant un courant électrique.

Un schéma illustrant comment des impulsions laser ultra-courtes (bleu) donnent des électrons dans une énergie semi-conductrice, puis une seconde impulsion laser (rouge) les envoie voler dans certaines directions pour produire un courant électrique

TU Vienne

En utilisant cette technique, ainsi que des simulations informatiques complexes, l’équipe a frappé des semi-conducteurs avec des impulsions laser de plus en plus courtes. Mais à un certain point, le processus commence à se heurter au principe d’incertitude de Heisenberg – c’est l’étrange bizarrerie quantique où plus vous mesurez avec précision une caractéristique d’une particule, moins vous pouvez être sûr d’une autre.

Dans ce cas, l’utilisation d’impulsions laser plus courtes signifie que les observateurs peuvent dire exactement quand les électrons gagnent de l’énergie, mais cela se fait au prix d’une moins grande certitude quant à la montant d’énergie qu’ils gagnent. Et c’est un problème majeur pour les appareils électroniques, car ne pas connaître les énergies exactes des électrons signifie qu’ils ne peuvent pas être contrôlés aussi précisément.

À partir de là, l’équipe a calculé la limite supérieure absolue de la vitesse à laquelle les systèmes optoélectroniques pourraient éventuellement atteindre – un pétahertz, soit un million de gigahertz. C’est une limite stricte, qui ne peut pas être contournée parce que la barrière est ancrée dans les lois mêmes de la physique quantique.

Bien sûr, il est peu probable que nous ayons à nous en soucier directement de toute façon. L’équipe affirme que d’autres obstacles technologiques surgiront bien avant que les dispositifs optoélectroniques n’atteignent le domaine du PHz. Mais comprendre la limite stricte pourrait aider à développer une meilleure électronique.

La recherche a été publiée dans la revue Communication Nature.

Source : TU Vienne

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