Les métadispositifs électroniques brisent les barrières aux communications ultra-rapides

Des chercheurs de l’EPFL ont mis au point une nouvelle approche de l’électronique qui implique l’ingénierie des métastructures à l’échelle inférieure à la longueur d’onde. Il pourrait lancer la prochaine génération d’appareils ultra-rapides pour échanger des quantités massives de données, avec des applications dans les communications 6G et au-delà.

Jusqu’à présent, la capacité de rendre les appareils électroniques plus rapides se résumait à un principe simple : réduire la taille des transistors et autres composants. Mais cette approche atteint ses limites, car les avantages du rétrécissement sont contrebalancés par des effets néfastes comme la résistance et la diminution de la puissance de sortie.

Elison Matioli du Power and Wide-band-gap Electronics Research Lab (POWERlab) de la Faculté d’ingénierie de l’EPFL explique qu’une miniaturisation plus poussée n’est donc pas une solution viable pour améliorer les performances de l’électronique. “De nouveaux articles sortent décrivant des dispositifs de plus en plus petits, mais dans le cas des matériaux à base de nitrure de gallium, les meilleurs dispositifs en termes de fréquence ont déjà été publiés il y a quelques années”, dit-il. “Après, il n’y a vraiment rien de mieux, car à mesure que la taille de l’appareil se réduit, nous sommes confrontés à des limitations fondamentales. Cela est vrai quel que soit le matériau utilisé.”

En réponse à ce défi, Matioli et Ph.D. L’étudiant Mohammad Samizadeh Nikoo a proposé une nouvelle approche de l’électronique qui pourrait surmonter ces limitations et permettre une nouvelle classe d’appareils térahertz.

Au lieu de rétrécir leur dispositif, ils l’ont réarrangé, notamment en gravant des contacts à motifs appelés métastructures à des distances inférieures à la longueur d’onde sur un semi-conducteur composé de nitrure de gallium et de nitrure d’indium et de gallium. Ces métastructures permettent de contrôler les champs électriques à l’intérieur de l’appareil, produisant des propriétés extraordinaires qui n’existent pas dans la nature.

Fondamentalement, l’appareil peut fonctionner à des fréquences électromagnétiques dans la gamme des térahertz (entre 0,3 et 30 THz) – nettement plus rapides que les ondes gigahertz utilisées dans l’électronique d’aujourd’hui. Ils peuvent donc transporter des quantités d’informations beaucoup plus importantes pour un signal ou une période donnés, ce qui leur donne un grand potentiel pour des applications dans les communications 6G et au-delà.

“Nous avons découvert que la manipulation des champs de radiofréquence à des échelles microscopiques peut considérablement améliorer les performances des appareils électroniques, sans compter sur une réduction d’échelle agressive”, explique Samizadeh Nikoo, qui est le premier auteur d’un article sur la percée récemment publié dans la revue. Nature.

Enregistrez les hautes fréquences, enregistrez la faible résistance

Étant donné que les fréquences térahertz sont trop rapides à gérer pour l’électronique actuelle et trop lentes pour les applications optiques, cette plage est souvent appelée “écart térahertz”. L’utilisation de métastructures sub-longueurs d’onde pour moduler les ondes térahertz est une technique issue du monde de l’optique. Mais la méthode du POWERlab permet un degré de contrôle électronique sans précédent, contrairement à l’approche optique consistant à projeter un faisceau de lumière externe sur un motif existant.

“Dans notre approche basée sur l’électronique, la capacité de contrôler les radiofréquences induites provient de la combinaison des contacts à motifs sous-longueur d’onde, plus le contrôle du canal électronique avec la tension appliquée. Cela signifie que nous pouvons modifier l’effet collectif à l’intérieur du métadispositif en induisant des électrons (ou non)”, explique Matioli.

Alors que les appareils les plus avancés sur le marché aujourd’hui peuvent atteindre des fréquences allant jusqu’à 2 THz, les méta-appareils du POWERlab peuvent atteindre 20 THz. De même, les appareils d’aujourd’hui fonctionnant près de la gamme des térahertz ont tendance à tomber en panne à des tensions inférieures à 2 volts, tandis que les métadispositifs peuvent supporter plus de 20 volts. Cela permet la transmission et la modulation de signaux térahertz avec une puissance et une fréquence bien supérieures à ce qui est actuellement possible.

Solutions intégrées

Comme l’explique Samizadeh Nikoo, la modulation des ondes térahertz est cruciale pour l’avenir des télécommunications, car les besoins croissants en données de technologies telles que les véhicules autonomes et les communications mobiles 6G atteignent rapidement les limites des appareils d’aujourd’hui. Les métadispositifs électroniques développés dans le POWERlab pourraient constituer la base d’une électronique térahertz intégrée en produisant des puces haute fréquence compactes déjà utilisables avec des smartphones, par exemple.

“Cette nouvelle technologie pourrait changer l’avenir des communications ultra-rapides, car elle est compatible avec les processus existants dans la fabrication de semi-conducteurs. Nous avons démontré une transmission de données allant jusqu’à 100 gigabits par seconde à des fréquences térahertz, ce qui est déjà 10 fois plus élevé que ce que nous avons aujourd’hui avec la 5G », déclare Samizadeh Nikoo.

Pour réaliser pleinement le potentiel de l’approche, Matioli indique que la prochaine étape consiste à développer d’autres composants électroniques prêts à être intégrés dans des circuits térahertz.

“L’électronique térahertz intégrée est la prochaine frontière pour un avenir connecté. Mais nos métadispositifs électroniques ne sont qu’un composant. Nous devons développer d’autres composants térahertz intégrés pour réaliser pleinement le potentiel de cette technologie. C’est notre vision et notre objectif.”