Un phare à électrons : du courant dans une puce, sans brancher la moindre pile

Des physiciens de l'université du Michigan ont fait circuler un courant électrique dans un morceau de semi-conducteur sans lui appliquer la moindre tension. Pas de pile, pas de générateur, rien. Seulement deux faisceaux laser de couleurs différentes, croisés au bon endroit. En tournant la polarisation de la lumière, les chercheurs font aussi pivoter le courant dans le matériau, comme le faisceau d'un phare qui balaie la nuit. L'article est paru le 28 juillet dans Physical Review Letters.

Je préviens tout de suite : ça ne va pas recharger ton téléphone. Mais l'idée est assez culottée pour mériter cinq minutes.

Le problème, c'est qu'un électron ne va nulle part tout seul

Toute l'électronique repose sur un principe assez rustique. Tu veux envoyer des électrons d'un point A à un point B ? Tu appliques une tension entre les deux, ce qui crée un champ électrique qui les pousse. C'est efficace, ça marche depuis toujours et c'est aussi subtil que de souffler sur des billes pour les faire rouler.

Le souci, c'est que ce champ électrique arrive avec ses bagages. Il faut des électrodes, une alimentation et du câblage. En prime, le système chauffe. Depuis les années 1990, des théoriciens cherchent donc un autre moyen : se passer de tension et demander directement à la lumière de faire le boulot.

L'un d'eux est John Sipe, de l'université de Toronto. Il avait prédit cet effet en théorie. Trente ans plus tard, une équipe l'a obtenu en laboratoire.

Deux chemins pour arriver au même endroit

Le mécanisme repose sur l'interférence quantique. Une particule peut atteindre le même état par plusieurs chemins. Ces possibilités se superposent alors comme deux vagues : selon la façon dont elles se rencontrent, elles se renforcent ou s'annulent.

Concrètement, on éclaire le matériau avec deux couleurs en même temps. Un électron peut gagner la même quantité d'énergie de deux façons : en absorbant un photon vert à 520 nanomètres, ou deux photons infrarouges à 1040 nanomètres. Deux additions différentes, même total. À l'échelle quantique, l'électron ne choisit pas un trajet. Les deux possibilités coexistent et interfèrent.

Un photon vert ou deux infrarouges. Même destination, et l'électron prend les deux chemins.

C'est là que ça devient joli. Pour les électrons qui partent dans une direction précise, les deux chemins se renforcent. Dans d'autres directions, ils s'annulent. Au lieu de partir dans tous les sens, les électrons filent donc davantage du même côté. Cela produit un courant, sans tension pour les pousser.

Le phare

La suite donne son nom à l'expérience. La direction du courant dépend de la polarisation de la lumière, c'est-à-dire de l'orientation dans laquelle l'onde lumineuse oscille. Imagine une corde que tu secoues de haut en bas plutôt que de gauche à droite.

Le dispositif comporte deux paires d'électrodes perpendiculaires, placées en croix autour du matériau. Quand les chercheurs font tourner la polarisation de 90 degrés, le courant disparaît sur une paire et réapparaît sur l'autre. Le flux d'électrons a pivoté d'un quart de tour dans la puce, sans qu'aucune pièce bouge.

Tu tournes la lumière, le courant change de sortie. Aucun interrupteur à maltraiter.

Détail que j'aime bien : les électrons voyagent en régime balistique. Cela signifie qu'ils traversent le matériau d'une traite, avec très peu de collisions, au lieu de se disperser lentement comme dans un fil de cuivre ordinaire. C'est la différence entre courir dans une salle vide et traverser le métro à 18 heures.

Le montage, et il est joli

Le matériau utilisé n'est pas du silicium, mais de l'arséniure de gallium-aluminium, précisément Al0.28Ga0.72As. Sa bande interdite a été réglée pour correspondre aux bonnes énergies. Cette bande interdite est l'écart d'énergie qu'un électron doit franchir avant de pouvoir participer à la conduction électrique. Les impulsions laser durent environ 85 femtosecondes. Une femtoseconde représente un millionième de milliardième de seconde. À la même échelle, une seconde durerait environ trente millions d'années.

La source est un laser à fibre dopée à l'erbium et à modes verrouillés. Autrement dit, ses différents modes lumineux sont synchronisés pour produire des impulsions très courtes. L'équipe a aussi testé un cas plus tordu : deux photons à 1040 nanomètres contre trois photons à 1560 nanomètres. Le principe reste le même, mais le mécanisme demande davantage de photons. Il concentre alors les électrons dans un éventail de directions plus étroit. Le faisceau du phare devient plus net.

À gauche l'arrosoir, à droite le pistolet à eau. Même flotte, pas la même visée.

Un chiffre donne la mesure de la précision nécessaire : le courant réagit à des variations de chemin optique de quelques dizaines de nanomètres. Le chemin optique correspond à la distance parcourue par la lumière, en tenant compte du milieu qu'elle traverse. Pour stabiliser ce trajet, les chercheurs ont réduit le bruit de fréquence du laser, donc ses petites fluctuations parasites, de plusieurs centaines de kilohertz à environ 1 hertz. Autant dire qu'on n'éternue pas dans la pièce.

Autre finesse : les contacts électriques sont ohmiques et non Schottky. Un contact ohmique laisse passer le courant sans créer de barrière électrique qui le favorise dans un seul sens. Un contact Schottky, lui, forme une telle barrière et peut engendrer un champ parasite. Aucune tension n'est appliquée pendant la mesure. C'était indispensable : le moindre champ électrique extérieur aurait pu produire un courant et ruiner la démonstration. Quand tu prétends créer du courant sans tension, mieux vaut ne pas en cacher une sous le tapis.

Bon, et concrètement, ça change quoi pour toi ?

Question légitime. Réponse franche : rien cette année, ni l'année prochaine. Cette recherche en est encore au banc d'essai, dans un laboratoire. On est loin du produit vendu en magasin. Mais elle pourrait, un jour, changer trois choses dans une maison normale.

1. Ta box internet pourrait moins traduire

Aujourd'hui, la fibre transporte tes vidéos, tes mails et tes sauvegardes sous forme de lumière. Mais ta box, ton téléphone et ton ordinateur fonctionnent avec de l'électricité. Un composant doit donc transformer la lumière en courant électrique, puis parfois faire l'inverse. Chaque conversion prend un peu de temps, consomme de l'énergie et produit de la chaleur.

Avec ce procédé, la lumière crée le courant et lui donne directement une direction. La conversion et l'aiguillage se font donc en une seule étape, au lieu de deux. Dans ta box, la différence serait probablement invisible. Mais les centres de données qui font fonctionner tes vidéos, tes mails et tes sauvegardes réalisent ces opérations à très grande échelle. Ils doivent aussi évacuer la chaleur produite. C'est surtout là que ce procédé pourrait devenir utile.

2. Des appareils qui voient ce que ton œil ne voit pas

C'est l'usage le plus facile à imaginer, et il existe déjà en partie. Cette recherche utilise la polarisation, c'est-à-dire la direction dans laquelle la lumière s'oriente. L'équipe veut fabriquer un détecteur capable de lire directement cette information. Ton œil et l'appareil photo de ton téléphone, eux, ne la captent pas directement.

Même vitrine, même heure. À droite, on a juste demandé à la lumière de se tenir correctement.

Un capteur sensible à la polarisation peut mieux voir malgré les reflets d'une vitre ou d'une flaque. Il peut aussi repérer des tensions à l'intérieur d'un morceau de verre ou de plastique. Elles sont invisibles à l'œil nu, mais peuvent annoncer une fissure. Le capteur peut même distinguer deux matériaux qui ont pourtant la même couleur. Des caméras industrielles utilisent déjà cette information pour contrôler des emballages ou des écrans à la sortie d'une usine. Elle peut aussi aider une voiture autonome lorsque le soleil rasant transforme la route en miroir.

Cette recherche pourrait permettre de lire la polarisation directement, sans empiler des filtres devant le capteur. Dans la vie quotidienne, cela pourrait donner, un jour, une photo de vitrine sans le reflet de ta tête au milieu. Ce n'est pas vital, mais ta tête flottante ne manquera à personne.

3. Piloter sans fil ce qui est trop petit pour être câblé

Ce troisième usage est le plus lointain. D'habitude, pour commander un courant électrique, il faut ajouter des connexions. Plus un composant est petit, plus ces fils prennent une place gênante et produisent de la chaleur. Ici, un faisceau lumineux déclenche le courant à distance, sans contact direct. Cela pourrait permettre de commander des composants trop petits pour être facilement câblés.

Personne ne sait encore si cette idée donnera un produit utilisable. Pour l'instant, elle montre surtout qu'une commande sans contact est possible. C'est une piste de recherche, pas une promesse avec une date de livraison.

Et ça arrive quand ?

Honnêtement, dans dix ans, dans vingt ans, ou jamais. Beaucoup de découvertes de laboratoire ne deviennent aucun produit. Celle-ci peut très bien connaître le même sort.

Le laser rappelle toutefois qu'une découverte sans usage évident peut finir par devenir banale. Lorsqu'il est apparu en 1960, personne ne savait vraiment quoi en faire. On le décrivait comme une solution en quête d'un problème. Aujourd'hui, il lit le code-barres de tes courses, sert à opérer des yeux et transporte cet article jusqu'à ton écran par la fibre. Le truc jugé inutile en 1960 intervient désormais dans ta vie une dizaine de fois par jour.

Un phare à électrons dans un laboratoire du Michigan paraît donc très loin de ta cuisine. Il le restera peut-être. L'exemple du laser ne prouve rien, mais il explique pourquoi des chercheurs continuent de travailler sur des idées dont l'utilité n'est pas encore visible.

Perso, ce qui me plaît ici, c'est le renversement. On a passé cinquante ans à convertir l'électricité en lumière et la lumière en électricité, avec chaque fois un intermédiaire pour pousser les charges. Ici, la lumière ne se contente pas de créer des électrons mobiles. Elle leur indique aussi où aller. Ce n'est pas encore vraiment un composant. C'est surtout la preuve qu'on peut tenir le volant autrement.

Le premier auteur, Yiming Gong, a soutenu sa thèse et travaille désormais comme scientifique en apprentissage automatique à Chicago. On lui souhaite que ses modèles convergent aussi bien que ses photons. L'article est cosigné par Kai Wang, ancien chercheur postdoctoral du laboratoire devenu professeur à l'université Sun Yat-Sen, et Steven Cundiff. Pour creuser le sujet, Laser Focus World détaille le montage optique bien mieux que moi. ScienceDaily en propose un résumé plus court.