La lumière laser pourrait révolutionner votre smartphone en le rendant plus rapide et économe en énergie. Ces avancées découlent de recherches menées à l'Université d'Anvers sur le graphène, un matériau ultra-fin. Les résultats principaux ont été publiés récemment dans la revue Science.
Si vous regardez des vidéos sur YouTube depuis des années, vous avez constaté que la qualité et la vitesse s'améliorent constamment. Là où il fallait attendre des heures il y a dix ans, vous pouvez désormais visionner une vidéo en Ultra HD en quelques secondes.
Cette évolution repose en partie sur l'utilisation de la lumière laser pour transmettre données et vidéos sur Internet, remplaçant les signaux électriques. Cela réduit les pertes d'énergie et accélère les transferts. Nos recherches montrent que cette technologie pourrait s'appliquer aux smartphones grâce au graphène.
Nous avons démontré que ce matériau ultra-fin capture et retient la lumière laser sur de longues durées. De plus, il compresse la lumière jusqu'à dix millions de fois. Des tentatives similaires avec des métaux comme l'or ou l'argent avaient échoué depuis les années 1990. Le graphène s'avère idéal pour cette tâche.
Un tel matériau pourrait former la base d'un « ordinateur photonique », où la lumière remplace les courants électriques sur les puces. Ces puces seraient plus rapides, écoénergétiques et dégageraient moins de chaleur, prolongeant ainsi l'autonomie des batteries de smartphones.
Cependant, la lumière est trop rapide et ses ondes trop volumineuses pour une puce standard. Il faut donc la capturer et la compresser efficacement.
Le graphène capture et retient la lumière laser, la comprimant dix millions de fois.
Une fois capturée, la lumière doit être manipulée, comme pour permettre à des lasers de « communiquer ». Nos travaux montrent que le graphène résout ce défi.
Découvert en 2004 à Manchester par exfoliation de graphite avec du ruban adhésif, le graphène – une couche d'un atome d'épaisseur – a valu le Nobel de Physique en 2010 à ses inventeurs et lancé un champ de recherche valant des milliards d'euros.
Léger et flexible, le graphène est 200 fois plus résistant que l'acier.
Conducteur exceptionnel grâce à sa « mer d'électrons », il excelle pour interagir avec la lumière laser.
Quand un laser frappe le graphène, il génère des ondes dans la mer d'électrons. La lumière y « surfe » à 1/100e de sa vitesse, se trouvant piégée et ultra-compressée. Sa conductivité prolonge ces ondes.
Avec des collègues de Manchester, nous avons utilisé des bandes étroites de graphène et deux lasers : l'un pour créer des ondes, l'autre pour les communications Internet. Les faisceaux ont interagi de manière inattendue, nécessitant une nouvelle théorie quantique. Cela confirme le potentiel du graphène pour les ordinateurs photoniques.
Guidés par la fascination pour le graphène et la lumière, nous avons exploré des ralentissements extrêmes. À notre surprise, les résultats ont quitté le cadre classique pour entrer en mécanique quantique, observable à température ambiante. Ces découvertes, publiées dans Science, ouvrent de nouvelles voies.
À notre surprise, l'expérience a révélé des effets quantiques inattendus.
En résumé, le graphène pave la voie vers des ordinateurs photoniques et une meilleure compréhension quantique. Il y a dix ans impossible, il mobilise aujourd'hui des milliers de chercheurs. Demain, il pourrait charger vos vidéos en un clin d'œil, peut-être en 3D ou plus.
Pour ces travaux sur le graphène, Ben Van Duppen (Physique, Université d'Anvers) a été nominé pour la Flemish PhD Cup 2017.
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