La lumière laser pourrait rendre votre smartphone considérablement plus économique et plus rapide. Cela découle des recherches menées à l'Université d'Anvers sur le graphène, un matériau ultra-mince. La partie fondamentale de la recherche a récemment été publiée dans Science .
Si vous regardez des vidéos sur YouTube depuis plusieurs années, vous avez probablement remarqué que la qualité et la vitesse semblent s'améliorer chaque jour. Là où vous deviez attendre des heures il y a dix ans, vous pouvez aujourd'hui admirer votre adorable vidéo de chaton en Ultra HD après seulement quelques secondes.
Cette évolution rapide est en partie due à l'utilisation de la lumière laser. Au lieu de signaux électriques, c'est désormais la lumière laser qui sert à transmettre des données et des vidéos sur Internet. De cette façon, vous perdez beaucoup moins d'énergie et les informations peuvent circuler plus rapidement. Les recherches auxquelles j'ai participé montrent qu'on pourrait aussi appliquer cette astuce à votre smartphone. Grâce à un nouveau matériau très fin :le graphène.
Nous avons montré que ce matériau fin est capable de capter et de retenir la lumière laser pendant longtemps. De plus, le matériau peut comprimer la lumière dix millions de fois. Depuis les années 1990, des tentatives ont été faites pour le faire en utilisant des métaux tels que l'or et l'argent, mais sans succès. Il semble maintenant que le graphène soit extrêmement approprié pour faire ce travail.
Un matériau capable de capturer et de manipuler la lumière peut constituer la base d'un «ordinateur de lumière». Ici, les courants électriques qui transportent les informations sur une puce informatique sont remplacés par de la lumière. Une telle puce pourrait être beaucoup plus économique et rapide que son homologue électronique classique et aussi perdre moins de chaleur. En d'autres termes, l'utilisation de telles puces dans les smartphones pourrait prolonger l'autonomie de votre batterie.
Le problème, cependant, est que la lumière est si rapide qu'elle ne peut pas simplement être capturée sur une petite puce d'ordinateur. De plus, les ondes lumineuses sont trop grandes pour une puce moyenne, vous devez donc être capable de les compresser avant de pouvoir en faire quoi que ce soit.
Le graphène est capable de capturer et de retenir la lumière laser. Il peut compresser la lumière dix millions de fois
Si vous avez capturé la lumière dans votre puce, vous devriez également pouvoir en faire quelque chose. Il faut pouvoir compter dessus. Pour cela, vous devez être capable de laisser les lasers « parler » entre eux, pour ainsi dire. Ce n'est pas si évident non plus, car deux faisceaux lumineux ne s'entendent tout simplement pas. Nos recherches ont montré que le graphène pouvait également résoudre ce problème.
Le graphène est un matériau remarquable depuis sa découverte. Au printemps 2004, deux scientifiques de Manchester ont mené une petite expérience après les heures de bureau. Ils ont essayé de décoller des couches très fines d'un bloc de graphite avec un morceau de ruban adhésif. Miraculeusement, ils ont réussi à décoller une couche épaisse d'un seul atome, plus fine qu'un cent millième de cheveu humain. Ils ont renommé la couche isolante de graphite en "graphène", ont remporté le prix Nobel en 2010 et ont jeté les bases d'un domaine de recherche de plusieurs milliards d'euros.
Le graphène est léger et flexible. En même temps, il est deux cents fois plus résistant que l'acier
Le graphène est un matériau merveilleux. Il est léger et flexible, mais deux cents fois plus résistant que l'acier. Pour nous, il est plus important qu'il puisse également très bien conduire l'électricité. Il le fait grâce à une mer de petites particules chargées qui peuvent aller et venir très facilement, déplaçant ainsi le courant. Cette mer d'électrons est la clé pour capturer et retenir la lumière laser.
Comment faites-vous pour capter la lumière ? Eh bien, lorsque la lumière laser frappe le graphène, elle crée de petites vagues dans la mer d'électrons. Sur ces ondes, la lumière surfe un moment à une vitesse cent fois inférieure à la normale. De ce fait, la lumière est pour ainsi dire piégée dans le matériau très fin et est très fortement comprimée. De plus, comme le graphène peut si bien conduire l'électricité, les ondes se prolongent très longtemps et la lumière reste piégée très longtemps.
Avec des chercheurs de Manchester, nous sommes allés plus loin. Nous avons fait des bandes très étroites de graphène et utilisé un premier faisceau laser pour faire des vagues. Dans le même temps, nous avons éclairé les bandes avec un deuxième laser, celui qui est généralement utilisé dans la communication Internet. Nous espérions voir un petit signal des faisceaux de lumière se parler. Mais encore une fois le graphène nous a surpris ! Nous avons déterminé que les lasers se criaient dessus. Afin d'expliquer le phénomène, une théorie complètement nouvelle a même été utilisée. Une autre preuve que le graphène est idéal pour faire des ordinateurs légers une réalité un jour.
Nos recherches ont toujours été guidées par la fascination pour le graphène et pour comprendre comment ce nouveau matériau interagit avec la lumière. Lorsqu'il s'est avéré que le graphène avait de bonnes cartes pour activer les ordinateurs légers, notre curiosité scientifique a pris le dessus et nous avons pu démêler un morceau du monde des plus petits, le monde de la mécanique quantique.
À notre grande surprise, notre expérience ne suivait plus la théorie commune
Que se passerait-il si nous ralentissions et comprimions encore plus la lumière ? À peine dit que c'était fait. À notre grande surprise, l'expérience ne suivait plus la théorie conventionnelle. Nous étions entrés dans le petit monde de la mécanique quantique où les lois de la physique traditionnelle ne s'appliquent plus. Enfin, nous avons découvert quels processus mécaniques quantiques étaient à l'œuvre et avons pu expliquer les résultats. Cette expérience étonnante a montré que vous pouvez mesurer les effets quantiques avec la lumière, même à température ambiante, et a trouvé sa place dans la science. .
Bref, avec nos recherches nous montrons que le graphène est un bon candidat pour fabriquer un jour des ordinateurs légers. Nous prouvons également que le matériau permet une exploration plus approfondie du monde de la mécanique quantique. L'émerveillement devant ce qui est possible nous a permis de repousser un peu les limites de la physique. Il y a plus de dix ans, le graphène était un matériau impossible, aujourd'hui c'est un domaine de recherche avec des dizaines de milliers de scientifiques. Dans dix ans, ce sera peut-être le truc qui vous permettra de charger instantanément de jolies vidéos de chats et, pourquoi pas, de les regarder en 3, 4 ou 5D.
Pour ses recherches sur le graphène, Ben Van Duppen (Physique, Université d'Anvers) a été nominé pour la Flemish PhD Cup 2017.
