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Première nanomachine à lumière
Depuis les années 1980, les chercheurs utilisent des lasers pour arrêter les vibrations moléculaires, afin que les molécules puissent être observées dans leur environnement naturel. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Yale ont utilisé le même type de force optique à l'échelle nanométrique pour contrôler un circuit intégré. Leur dispositif pourrait constituer la base de puces optiques rapides et de faible puissance, tout comme les transistors sont les éléments constitutifs des circuits électroniques d'aujourd'hui. Le nouveau dispositif, un nanorésonateur à lumière, pourrait également être utilisé comme détecteur chimique extrêmement sensible. Le travail est un jalon majeur dans l'union des forces mécaniques et optiques à l'échelle nanométrique.
Puissance photonique : Ce circuit photonique comprend un nouveau résonateur nanomécanique alimenté par la lumière. Sur la photo de l'image au microscope électronique à balayage, ce faisceau de silicium à l'échelle nanométrique oscille lorsque la lumière laser l'éclaire, modulant le signal lumineux acheminé à travers le circuit.
Les puces qui utilisent la lumière au lieu des électrons pour transporter des données devraient être plus rapides et consommer moins d'énergie que les circuits intégrés traditionnels. Mais jusqu'à présent, même les puces optiques les plus rapides ont incorporé des éléments électriques appelés modulateurs. Ces modulateurs codent la lumière avec des données en convertissant le signal de la lumière en électrons et inversement. Cette étape supplémentaire complexifie les puces optiques et consomme de l'énergie. Un circuit développé par des chercheurs de Yale dirigés par un professeur d'électrotechnique Hong Tang intègre un modulateur qui est entraîné par la lumière, pas par des électrons.
Le groupe Yale a commencé ses travaux en créant une puce optique en silicium. Pour fabriquer le modulateur, ils ont gravé une petite partie du guide d'ondes, la mince route de silicium le long de laquelle les photons se déplacent, dans une barre de 500 nanomètres de large. Cette poutre en silicium, qui est suspendue à la surface de la puce pour qu'elle puisse fléchir, a deux fonctions. Il véhicule à la fois le signal optique et le module. Tang et ses collègues ont envoyé un signal lumineux à travers le circuit intégré, puis ont projeté une lumière laser sur le modulateur nano-optique, le faisant osciller de haut en bas. Ces oscillations modulent la vitesse de la lumière traversant le faisceau.
L'équipe de Yale est la première à démontrer l'existence de cette force optique sur un circuit intégré et la première à l'exploiter pour en faire un appareil fonctionnel. La force de la lumière peut être réellement utilisée, dit Tang. Son groupe a également démontré qu'il peut fabriquer des matrices de centaines de résonateurs fonctionnels sur une seule puce.
Les pincettes optiques ont été très utiles pour manipuler des objets nanométriques flottants en solution, mais elles sont très complexes, nécessitant un laser haute puissance et un plan de travail complet. Bien qu'elle nécessite toujours l'entrée d'un laser qui n'est pas encore intégré à la puce, la configuration Yale est plus simple que celle requise pour les pincettes optiques.
Décrit dans le journal La nature , le circuit de Yale représente une percée technique, déclare le professeur de génie mécanique de l'Université Columbia James Hone . Il ouvre une nouvelle façon de fabriquer des commutateurs opto-mécaniques qui peuvent réacheminer un signal optique en utilisant un autre. Hone dit que de tels dispositifs pourraient être les éléments constitutifs des circuits optiques. Adam Cohen , professeur de chimie, de biologie chimique et de physique à Harvard, est d'accord, tant que la fabrication de ces dispositifs s'avère compatible avec le traitement standard des semi-conducteurs. L'approche traditionnelle, qui consiste à convertir le signal optique en un signal électrique et inversement, ralentit les choses et est plus compliquée, dit Cohen.
Parce que l'oscillation mécanique du faisceau modifie la façon dont la lumière le traverse de manière mesurable, les faisceaux pourraient être transformés en capteurs chimiques très sensibles, explique Hone. Le groupe de Yale n'a pas fait la démonstration d'un capteur chimique. En théorie, cependant, les réseaux d'oscillateurs en silicium sur puce pourraient être décorés d'anticorps qui se lient aux protéines sanguines caractéristiques de maladies telles que le cancer. Si un échantillon de sang placé sur la puce contenait une petite quantité de protéine, il se lierait au faisceau de silicium, modifiant la fréquence de ses oscillations et provoquant ainsi un changement mesurable de la vitesse de la lumière qui le traverse. D'autres capteurs nanométriques fonctionnent sur un principe similaire, captant les différences de flux de courant électrique à travers des faisceaux de silicium oscillants ou des nanotubes de carbone lorsqu'ils se lient aux molécules d'intérêt. Les résonateurs optiques pourraient être encore plus sensibles, dit Hone, car les appareils optiques se comportent mieux, donnant des signaux plus clairs que les appareils électriques.
Cependant, de telles applications sont dans de nombreuses années. L'appareil est encore au tout début du développement dans le laboratoire de Tang, où son groupe affine ses propriétés mécaniques.