Imaginez un appel téléphonique : votre voix est transformée en signaux électroniques, déplacée vers des fréquences plus élevées, transmise sur de longues distances, puis redescendue pour être clairement entendue à l’autre bout. Ce processus de décalage des fréquences est appelé mélange de fréquences, essentiel pour des technologies comme la radio et le Wi-Fi. Les mélangeurs de fréquence, composants cruciaux dans de nombreux appareils électroniques, fonctionnent généralement à des fréquences oscillant de plusieurs milliards (GHz, gigahertz) à des billions (THz, térahertz) de fois par seconde.
Maintenant, imaginez un mélangeur de fréquence opérant à un quadrillion (PHz, pétahertz) de fois par seconde, soit jusqu’à un million de fois plus rapide. Ces fréquences correspondent aux oscillations des champs électriques et magnétiques des ondes lumineuses. Les mélangeurs de fréquence pétahertz permettraient de déplacer les signaux vers des fréquences optiques, puis de les redescendre vers des fréquences électroniques conventionnelles, facilitant ainsi la transmission et le traitement de quantités d’informations beaucoup plus importantes à des vitesses bien supérieures. Ce saut de vitesse ne consiste pas seulement à accélérer les processus, mais à ouvrir de nouvelles capacités.
L’électronique lumineuse (ou électronique pétahertz) est un domaine émergent visant à intégrer des systèmes optiques et électroniques à des vitesses incroyablement élevées, en exploitant les oscillations ultrarapides des champs lumineux. L’idée clé est d’utiliser le champ électrique des ondes lumineuses, oscillant à une fréquence inférieure à la femtoseconde (10-15 secondes), pour piloter directement les processus électroniques. Cela permet de traiter et manipuler les informations à des vitesses bien au-delà des technologies électroniques actuelles. Combiné avec d’autres circuits électroniques pétahertz, un mélangeur électronique pétahertz permettrait de traiter et analyser de grandes quantités d’informations en temps réel et de transférer de grandes quantités de données par voie hertzienne à des vitesses sans précédent. La démonstration par l’équipe du MIT d’un mélangeur électronique d’ondes lumineuses à des fréquences de l’ordre du pétahertz constitue une première étape vers une technologie de communication plus rapide et fait progresser la recherche vers le développement de nouveaux circuits électroniques d’ondes lumineuses miniaturisés capables de gérer les signaux optiques directement à l’échelle nanométrique.
Dans les années 1970, les scientifiques ont commencé à explorer l’extension du mélange électronique de fréquences dans la gamme des térahertz à l’aide de diodes. Bien que prometteurs, ces premiers efforts ont stagné pendant des décennies. Cependant, les progrès de la nanotechnologie ont récemment relancé ce domaine de recherche. Les chercheurs ont découvert que de minuscules structures telles que des pointes d’aiguilles de longueur nanométrique et des antennes plasmoniques pouvaient fonctionner de manière similaire à ces premières diodes, mais à des fréquences beaucoup plus élevées.
Une étude récente en libre accès publiée dans Science Advances par Matthew Yeung, Lu-Ting Chou, Marco Turchetti, Felix Ritzkowsky, Karl K. Berggren et Phillip D. Keathley du MIT a démontré une avancée significative. Ils ont développé un mélangeur de fréquence électronique pour la détection de signaux fonctionnant au-delà de 0,350 PHz à l’aide de minuscules nanoantennes. Ces nanoantennes peuvent mélanger différentes fréquences de lumière, permettant ainsi l’analyse de signaux oscillant beaucoup plus rapidement que les signaux accessibles à l’électronique conventionnelle. De tels dispositifs électroniques pétahertz pourraient révolutionner des domaines nécessitant une analyse précise de signaux optiques extrêmement rapides, tels que la spectroscopie et l’imagerie, où la capture de la dynamique à l’échelle femtoseconde est cruciale (une femtoseconde équivaut à un millionième d’un milliardième de seconde).
L’étude de l’équipe met en lumière l’utilisation de réseaux de nanoantennes pour créer un mélangeur de fréquence optique électronique à large bande sur puce. Cette approche innovante permet une lecture précise des formes d’ondes optiques couvrant plus d’une octave de bande passante. Notamment, ce processus a fonctionné à l’aide d’un laser commercial clé en main, plutôt qu’un laser hautement personnalisé.
Bien que le mélange de fréquence optique soit possible à l’aide de matériaux non linéaires, le processus est purement optique (c’est-à-dire qu’il convertit l’entrée de lumière en sortie de lumière à une nouvelle fréquence). De plus, les matériaux doivent avoir une épaisseur de plusieurs longueurs d’onde, limitant la taille du dispositif à l’échelle micrométrique (un micromètre équivaut à un millionième de mètre). En revanche, la méthode électronique à ondes lumineuses démontrée par les auteurs utilise un mécanisme de tunneling piloté par la lumière qui offre des non-linéarités élevées pour le mélange de fréquences et une sortie électronique directe à l’aide de dispositifs à l’échelle nanométrique (un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre).
Alors que cette étude se concentrait sur la caractérisation des impulsions lumineuses de différentes fréquences, les chercheurs envisagent que des dispositifs similaires permettront de construire des circuits utilisant des ondes lumineuses. Ce dispositif, doté de bandes passantes s’étendant sur plusieurs octaves, pourrait fournir de nouveaux moyens d’étudier les interactions ultrarapides entre la lumière et la matière, accélérant ainsi les progrès des technologies de sources ultrarapides.
Ce travail repousse non seulement les limites du traitement du signal optique, mais comble également le fossé entre l’électronique et l’optique. En reliant ces deux domaines de recherche, cette étude ouvre la voie à de nouvelles technologies et applications dans des domaines tels que la spectroscopie, l’imagerie et les communications, améliorant ainsi notre capacité à explorer et manipuler la dynamique ultrarapide de la lumière.
La recherche a été initialement soutenue par le Bureau de recherche scientifique de l’US Air Force. Les recherches en cours sur le mélange harmonique sont basées sur des travaux soutenus par le Département américain de l’énergie, l’Office of Science et l’Office of Basic Energy Sciences. Matthew Yeung remercie le soutien de MathWorks, du programme de bourses de recherche pour diplômés de la National Science Foundation des États-Unis et de la bourse de recherche postdoctorale MPS-Ascend. Lu-Ting Chou reconnaît le soutien financier du ministère chinois de l’Éducation pour le programme de stages à l’étranger du Conseil national chinois des sciences et technologies pour le programme de bourses de doctorat.
