Le silicium a fait son chemin dans bien des domaines, depuis les ordinateurs jusqu'aux appareils photo. Mais qu'en est-il d'un laser au silicium ? C'est physiquement irréalisable, du moins c'est ce que les scientifiques pensaient jusqu'à présent. Une équipe de recherche de l'Université Brown a conçu le premier laser directement élaboré à partir du silicium en modifiant la structure du cristal à l'aide d'une nouvelle technique à l'échelle nanométrique.
Depuis la création du premier laser fonctionnel, à partir d'un rubis en 1960, les scientifiques ont élaboré ces sources lumineuses à partir de substances s'étendant du néon au saphir. Le silicium, cependant, n'a jamais été considéré comme un candidat valable. Sa structure ne permettrait pas l'alignement requis des électrons pour que ce semi-conducteur puisse émettre de la lumière.
Mais l'équipe du professeur Jimmy Xu a rendu possible ce qui était tenu pour impossible. Les chercheurs y sont parvenus en modifiant la structure atomique du silicium elle-même. Cela a été accompli en forant des milliards de trous dans un petit fragment de silicium, en utilisant un gabarit nanométrique. Le résultat: une faible mais bien réelle émission laser. L'exploit est à la mesure de la réputation du professeur Xu, dont le Laboratoire des Technologies Emergentes est surnommé le Laboratoire des Technologies Impossibles.
Pour le moment, ce qui est devenu faisable n'est pas encore très pratique. Avant que ce laser au silicium ne devienne viable, il doit être rendu plus puissant et utilisable à température ambiante: une température de moins 200°C est actuellement nécessaire à son fonctionnement. Mais un matériau avec les propriétés électroniques du silicium et les propriétés optiques d'un laser trouverait des utilisations dans les domaines de l'électronique et des communications, en augmentant la rapidité et la puissance des ordinateurs ou des réseaux à fibres optiques.
Selon Xu, lorsque les lasers ont été inventés, ils ont été considérés comme la solution à un problème qui n'existait pas encore. Aujourd'hui les lasers sont utilisés dans les lecteurs de CD, les lecteurs de codes à barres aussi bien que pour la découpe de métaux ou encore en chirurgie. "Toute nouvelle découverte scientifique trouve souvent une application, il suffit d'attendre que les technologies se développent", remarque-t-il.
Vaincre l'impossible
L'émission de lumière depuis le silicium a toujours été considérée comme inaccessible en raison de la structure en cristal du silicium. Les électrons nécessaires pour l'effet laser ne sont pas produits suffisamment près les uns des autres. Les rapprocher exigerait le bon phonon "marieur", opérant avec précision au bon moment, au bon endroit, afin d'établir la connexion atomique.
Dans le passé, les scientifiques ont chimiquement modifié le silicium ou l'ont pulvérisé en poussière de particules pour produire une émission de lumière. Mais davantage de lumière était naturellement détruite que produite. Xu et son équipe ont essayé une nouvelle façon d'aborder le problème. Ils ont modifié la structure du cristal en lui retirant des atomes.
Pour cela, l'équipe a élaboré un gabarit, ou "masque", en aluminium anodisé, d'environ un millimètre carré, qui présentait des milliards de trous minuscules, de taille uniforme et parfaitement ordonnés. Placé au-dessus d'un fragment de silicium puis bombardé d'un faisceau d'ions, le masque a servi de pochoir, permettant de poinçonner précisément la matière et d'en extraire des atomes. Les atomes de silicium se sont alors réarrangés subtilement à proximité des trous ce qui a permis l'émission de lumière.
Le silicium a été testé à plusieurs reprises sur une période d'un an afin de s'assurer qu'il satisfaisait aux propriétés classiques d'un laser telles que le gain optique, l'étroitesse de l'étendue spectrale et autres.
Source: TECHNO SCIENCES and Brown University
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