Un nanodispositif dix fois plus rapide que les transistors

Une équipe de recherche de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) a mis au point un nanodispositif capable de produire de puissants signaux en quelques picosecondes et de les diffuser sous forme d’ondes térahertz. Ce nanodispositif élaboré par le Power and Wide-band-gap Electronics Research Laboratory (POWERlab) est intégrable sur puces et sur supports flexibles, et pourrait ainsi équiper des systèmes portables, comme les smartphones. Selon Elison Matioli, responsable du laboratoire, le dispositif fonctionne 10 fois plus vite que les transistors d’aujourd’hui. Les travaux ont été publiés le 25 mars dans Nature.

Les ondes térahertz se trouvent entre les ondes infrarouges et les micro-ondes. Elles englobent des fréquences comprises entre 0,1 et 30 térahertz, soit 100 à 30 000 milliards de hertz ou oscillations par seconde. Leurs rayonnements ont un fort pouvoir pénétrant qui leur permet de voir à travers de nombreux matériaux non conducteurs ne contenant pas d’eau. Ils sont peu énergétiques et non-ionisants. Dans notre vie de tous les jours, ces ondes pourraient ainsi révolutionner l’imagerie médicale, les systèmes de sécurité, les détecteurs de polluants ou encore permettre la transmission sans fil de données volumineuses à haut débit, comme pour la 5G.

Un dispositif ultra-rapide

L’équipe de chercheurs, dirigée par le professeur Elison Matioli, décrit un dispositif compact, peu cher et tout électrique pouvant être réalisé sur un support flexible. Il se présente sous la forme de deux plaques de métal (peu importe lequel, les chercheurs ont testé l’or et le tungstène) séparées par un espace très petit, jusqu’à quelques dizaines de nanomètres. Lorsqu’une tension est appliquée sur une plaque, les électrons s’accumulent au bord et forment un nanoplasma. Les électrons transitent de façon ultra rapide vers la seconde plaque métallique, créant une impulsion très intense. Le dispositif produit une sorte d’étincelle très puissante en une picoseconde, la tension passant soudainement de 0 à plusieurs dizaines de volts. Cette étincelle peut être reproduite presque continuellement, ce qui permet de générer jusqu’à 50 millions de signaux par seconde. Combiné à des antennes, le système peut générer des ondes térahertz très puissantes, jusqu’à 600 milliwatts térahertz carré (mWTHz2).

Selon le laboratoire, jusqu’à aujourd’hui, les dispositifs électroniques ne permettaient cette émission qu’à une vitesse maximale d’un volt par picoseconde. Le principal problème des dispositifs actuels pour des usages haute fréquence réside dans l’utilisation des matériaux semi-conducteurs. “Ils ont tendance à voir leur puissance diminuer à mesure que la fréquence augmente, explique le professeur Elison Matioli. En temps normal, on ne peut pas optimiser les deux valeurs. Les dispositifs à haute fréquence sont nanométriques. Ils ne supportent que quelques volts et s’abîment vite”. Dans les térahertz, les dispositifs classiques ne fournissent que quelques milliwatts de puissance, ce qui n’est pas suffisant pour les applications visées.

En vidéo, l’explication de ce dispositif, en anglais, par le professeur Elison Matioli