Le plus petit laser jamais fabriqué

Les chercheurs ont démontré le plus petit laser jamais créé, constitué d'une nanoparticule de seulement 44 nanomètres de diamètre. L'appareil est surnommé un spaser car il génère une forme de rayonnement appelé plasmons de surface. La technique permet de confiner la lumière dans de très petits espaces, et certains physiciens pensent que les spasers pourraient constituer la base des futurs ordinateurs optiques tout comme les transistors sont la base de l'électronique d'aujourd'hui.

Petit laser : Cette simulation montre l'intensité de la lumière autour d'un nouveau type de laser, appelé spaser, lorsqu'il fonctionne dans un mode de production de plasmons. La concentration de plasmons est la plus intense au niveau de la sphère d'or qui en constitue le noyau. Le cercle noir intérieur indique la position de la sphère, qui est recouverte d'une coquille de silice incrustée de colorant, marquée par la ligne noire extérieure.

Alors que les meilleurs appareils électroniques grand public fonctionnent à des vitesses d'environ 10 gigahertz, Mikhaïl Noginov , professeur de physique au Center for Materials Research de la Norfolk State University à Norfolk, en Virginie, note que les appareils optiques peuvent fonctionner à des centaines de térahertz. Les dispositifs optiques sont cependant difficiles à miniaturiser car les photons ne peuvent pas être confinés dans des zones beaucoup plus petites que la moitié de leur longueur d'onde. Mais les dispositifs qui interagissent avec la lumière sous forme de plasmons de surface peuvent la confiner dans des endroits beaucoup plus étroits.

Il y a actuellement un gros effort, principalement théorique, vers la conception d'une nouvelle génération de nanoélectronique basée sur la plasmonique, dit Noginov. Contrairement aux autres dispositifs plasmoniques précédents, les spasers sont un élément actif qui peut produire et amplifier ces ondes. Noginov a co-dirigé le développement du nouveau spaser avec Ulrich Wiesner de l'Université Cornell et Vladimir Chalaev et Evgenii Narimanov de l'Université Purdue. Le travail est décrit aujourd'hui dans la revue La nature .

Le spaser fabriqué par Noginov et ses collaborateurs se compose d'une seule nanoparticule de seulement 44 nanomètres de diamètre, avec différentes parties qui remplissent des fonctions analogues à celles d'un laser conventionnel. Dans un laser normal, les photons rebondissent entre deux miroirs à travers un milieu de gain qui amplifie la lumière. La lumière dans un spaser rebondit sur la surface d'une sphère d'or dans le noyau de la nanoparticule sous la forme de plasmons.

Le défi, dit Noginov, est de s'assurer que cette énergie ne se dissipe pas rapidement de la surface métallique. Son équipe y est parvenue en recouvrant l'or d'une couche de silice incrustée de colorant. Cette couche agit comme un milieu de gain. La lumière du spaser peut rester confinée sous forme de plasmons ou elle peut être amenée à quitter la surface des particules sous forme de photons dans la plage de la lumière visible. Comme un laser, le spaser doit être pompé pour fournir l'énergie nécessaire. Le groupe de Noginov y parvient en bombardant la particule avec des impulsions lumineuses.

La taille d'un laser conventionnel est dictée par la longueur d'onde de la lumière qu'il utilise, et la distance entre les surfaces réfléchissantes ne peut pas être inférieure à la moitié de la longueur d'onde de la lumière - dans le cas de la lumière visible, environ 200 nanomètres. La beauté du spaser est qu'il contourne cette limitation en utilisant des plasmons, explique Noginov. Les spasers pourraient probablement être aussi petits qu'un nanomètre. Plus petit que cela, explique Noginov, et la fonctionnalité des nanoparticules se décompose.

Noginov et ses collaborateurs ne sont pas les premiers à fabriquer un nanolaser. En juillet, des chercheurs dirigés par Cun-Zheng Ning , professeur de génie électrique à l'Arizona State University, et Martin Hill de l'Université d'Eindhoven aux Pays-Bas ont créé un nanolaser d'environ 100 nanomètres de large, en utilisant différents matériaux. Le nanolaser de Ning et Hill a été le premier à surmonter les contraintes de longueur d'onde sur la taille des lasers. Le travail publié aujourd'hui, cependant, est le premier exemple d'un spaser.

Le spaser fonctionne environ mille fois plus vite que le transistor le plus rapide, tout en ayant la même taille nanométrique, selon Mark Stockman , professeur de physique à la Georgia State University. Cela ouvre la possibilité de construire des amplificateurs ultrarapides, des éléments logiques et des microprocesseurs fonctionnant environ mille fois plus rapidement que les microprocesseurs conventionnels à base de silicium.

Stockman a prédit le phaser en 2003 avec David Bergman , professeur de physique à l'université de Tel Aviv en Israël. La création du spaser, dit Bergman, est un beau travail.

Les spasers trouveront probablement leur première application non pas dans l'informatique optique, mais dans les endroits où les lasers conventionnels sont utilisés aujourd'hui, explique Noginov. En effet, une application à plus court terme est dans l'industrie du stockage de données magnétique, dit Sakhrat Khizroev , professeur de génie électrique à l'Université de Californie, Riverside, qui développe également des nanolasers. Les supports de stockage de données magnétiques utilisés pour les disques durs d'aujourd'hui atteignent leurs limites physiques ; une façon d'étendre ses capacités est de chauffer le support avec de très petites taches de lumière pendant l'enregistrement, ce qui pourrait être fait avec des nanolasers, explique Khizroev. Cependant, les chercheurs mettent en garde, toutes les applications sont probablement dans des années.

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