Des chercheurs des laboratoires de Lan Yang, professeur Edwin H. & Florence G. Skinner, et Xuan « Silvia » Zhang, professeur associé, à la McKelvey School of Engineering de l’Université de Washington à St. Louis, ont développé la première parité entièrement intégrée -système électronique à symétrie temporelle.
Et il peut être fabriqué sans l’utilisation de matériaux exotiques, ne nécessitant que la même technologie de fabrication microélectronique standard utilisée aujourd’hui pour les circuits intégrés courants.
La recherche a été publiée le 17 mars dans la revue Nanotechnologie de la nature.
Les systèmes symétriques PT permettent de manipuler le flux d’énergie de manière surprenante et inédite. Actuellement, ils peuvent fonctionner dans une plage limitée, soit dans le domaine acoustique à très basse fréquence, soit dans le domaine optique à très haute fréquence.
Cette nouvelle technologie a mis en œuvre un concept aux propriétés mathématiques remarquables issu de la physique quantique dans un circuit intégré. Il ouvre une nouvelle partie du spectre pour la recherche dans la gamme du giga au térahertz.
« Notre travail ouvre cette partie médiane (du spectre) qui couvre les applications cruciales des micro-ondes et des ondes millimétriques ; nous comblons le vide », a déclaré Zhang.
« Personne au monde n’est capable de construire des systèmes symétriques PT qui couvrent cette gamme de fréquences. »
La clé de ces systèmes est la capacité d’équilibrer avec précision la perte d’énergie d’un résonateur avec le gain d’un autre résonateur couplé. Ce point d’équilibre spécial est la symétrie PT, et il permet de nouveaux et puissants moyens de manœuvrer le flux et la localisation de l’énergie.
Une image réfléchie dans un miroir a une transformation de parité – dans la réflexion, une main droite est inversée et devient une main gauche, et vice versa. Une vidéo lue à l’envers est un exemple d’inversion du temps : les événements de la vidéo reculent dans le temps.
Exemples de différents types de symétrie. Crédit : Laboratoire Murch
Si les deux transformations sont effectuées en même temps et « s’annulent » – le système a le même aspect qu’avant les transformations – alors ce système est dit avoir une symétrie PT.
Un tel concept a été utilisé dans des systèmes de résonateurs photoniques couplés pour développer de nouvelles stratégies de contrôle du flux lumineux, telles que la transmission lumineuse non réciproque.
Être capable de manipuler une bande supplémentaire du spectre électromagnétique ouvre la possibilité de nouvelles découvertes et technologies, a déclaré Weidong Cao, associé de recherche postdoctoral au laboratoire de Zhang.
En pratique, ces types de systèmes sont des composants importants pour les radars, les communications sans fil et les systèmes de transfert de puissance. À l’heure actuelle, les pièces concernées nécessitent de grands noyaux magnétiques. « Mais maintenant, nous pouvons les réduire à une puce de circuit intégré de la taille d’un ongle », a déclaré Zhang.
Grâce à une nouvelle technologie de fabrication, le système est évolutif, ce qui facilite l’utilisation des nouvelles fonctionnalités des technologies existantes.
« La fabrication de circuits intégrés et notre conception de circuits vous permettent de construire spécifiquement pour différentes zones du spectre électromagnétique », a déclaré Cao.
« Nos résultats montrent que l’introduction de la symétrie PT dans la technologie des circuits intégrés pourrait bénéficier à un large éventail d’applications basées sur les puces telles que la modulation de fréquence et la manipulation de la propagation des micro-ondes. »
Yang a déclaré qu’elle était impressionnée par la capacité potentielle de la physique à avoir un impact aussi large et immédiat sur la technologie.
« C’est excitant de démontrer les performances et les fonctions supérieures rendues possibles par une nouvelle conception guidée par la science fondamentale dans une plate-forme qui a été largement adoptée dans l’industrie », a-t-elle déclaré.
Weidong Cao et al, Électronique à parité et symétrie temporelle entièrement intégrée, Nanotechnologie de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41565-021-01038-4