Des chercheurs ont calculé la limite supérieure absolue de la vitesse des systèmes optoélectroniques, avant que la mécanique quantique ne vienne tout gâcher.
On a souvent l’impression que l’électronique va continuer à s’accélérer indéfiniment, mais à un moment donné, les lois de la physique interviennent pour y mettre un terme. Des scientifiques ont calculé la vitesse limite ultime, c’est-à-dire le point à partir duquel la mécanique quantique empêche les micropuces d’aller plus vite.
Il est bien connu que rien ne va plus vite que la lumière, et cela vaut pour l’électronique : les systèmes qui utilisent la lumière pour contrôler l’électricité, appelés optoélectroniques, sont les dispositifs les plus rapides. Dans cette nouvelle étude, des chercheurs de l’Université technique de Vienne, de l’Université technique de Graz et de l’Institut Max Planck d’optique quantique ont identifié la limite supérieure de la vitesse que peut atteindre l’optoélectronique.
L’équipe a mené des expériences en utilisant des matériaux semi-conducteurs et des lasers. Le semi-conducteur est soumis à une impulsion laser ultracourte, qui fait passer les électrons du matériau dans un état d’énergie supérieur, leur permettant de se déplacer librement. Ensuite, une deuxième impulsion laser, légèrement plus longue, les envoie dans une certaine direction, produisant un courant électrique.
Les chercheurs ont calculé la limite supérieure absolue de la vitesse des systèmes optoélectroniques, avant que la mécanique quantique ne vienne tout gâcher.
Grâce à cette technique, ainsi qu’à 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 d’Heisenberg – cette étrange bizarrerie quantique selon laquelle plus on mesure avec précision une caractéristique d’une particule, moins on peut être sûr d’une autre.
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 moindre certitude sur la quantité 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 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 difficile à atteindre pourrait aider à développer de meilleurs appareils électroniques.
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29252-1
