Les pérovskites pourraient-elles être la clé de l’informatique photonique ?

Du solaire à la photonique

Perovskites are a new type of material increasingly investigated for its potential in solar energy. Semiconductor crystals could be even more powerful at converting light into electricity than traditional silicon-based solar panels.

Les pérovskites sont un nouveau type de matériau de plus en plus étudié pour son potentiel dans l’énergie solaire. Les cristaux semi-conducteurs pourraient être encore plus puissants pour convertir la lumière en électricité que les panneaux solaires traditionnels à base de silicium.

Source: iRocks

C’est une façon possible d’améliorer la technologie des panneaux solaires, dont nous avons parlé dans « The Solar Age—A Bright Future To Mankind ». Il semble maintenant que les pérovskites pourraient éventuellement rivaliser avec le silicium dans un autre domaine : l’informatique.

À mesure que les processeurs en silicium traditionnels deviennent de plus en plus petits, l’industrie cherche des moyens d’effectuer le calcul différemment. Une méthode envisagée est la photonique, où la lumière, au lieu de l’électricité, transporte les données pour réaliser le calcul. Ainsi, le calcul peut être effectué à la vitesse de la lumière, réduisant le besoin d’autant de transistors que dans le calcul électronique traditionnel.

Pour ce faire, la méthode proposée pour construire des systèmes informatiques photoniques comprend la manipulation nanométrique basée sur des lasers du silicium et des systèmes de conversion lumière‑son améliorés.

La plupart des technologies photoniques ont d’abord été axées sur des solutions à base de silicium, car c’est de loin le matériau le mieux compris par l’industrie de la fabrication de puces.

Cependant, il est logique que les pérovskites, matériau connu pour sa capacité à gérer simultanément la lumière et l’électricité, constituent une excellente base pour l’informatique photonique.

Façonner les cristaux de pérovskite à volonté

C’est le raisonnement suivi par des chercheurs de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie en collaboration avec d’autres institutions de Pologne, d’Italie, d’Islande et d’Australie. Pour ouvrir la voie à davantage de progrès dans la photonique à base de pérovskite, ils ont créé une méthode pour « couper » les cristaux de pérovskite avec précision. Ils ont détaillé leur méthode dans un article intitulé « Predesigned perovskite crystal waveguides for room-temperature exciton–polariton condensation and edge lasing ».

Le matériau qu’ils ont utilisé est un type de pérovskite appelé CsPbBr3 (césium‑plomb‑brome). Il possède un grand potentiel pour les applications optiques, grâce à la faible énergie requise pour l’amplification non linéaire de la lumière. Cela signifie que ce matériau peut amplifier et moduler la lumière avec très peu de consommation d’énergie, l’un des principaux avantages de la photonique par rapport à l’électronique.

Leur méthode a permis de créer des cristaux de CsPbBr3 sous n’importe quelle forme, des coins simples aux courbes lisses. Ce qui est normalement très difficile à obtenir en cristallographie.

De plus, ces cristaux peuvent être produits sur n’importe quel substrat, les rendant compatibles avec les dispositifs photoniques existants. Ainsi, bien qu’innovantes, elles ne nécessitent pas le développement d’un tout nouveau domaine technologique en photonique pour être utiles.

Comment ils l’ont fait

Bon nombre des méthodes utilisées par les chercheurs pour faire croître les cristaux de pérovskite sont dérivées de méthodes connues de l’industrie des semi‑conducteurs. Par exemple, ils utilisent une concentration de solution et des températures de croissance strictement contrôlées tout en maintenant une atmosphère de vapeurs de solvant saturées.

Ils ont ensuite utilisé des moules de gallium arsenide presque atomiquement lisses, fabriqués à l’aide de la lithographie par faisceau d’électrons et de l’etching plasma. Le gallium arsenide est un matériau bien connu, notamment utilisé dans la production de LED.

En adoptant une approche microfluidique, ils ont réussi à faire croître le cristal dans de fins moules polymères qui peuvent être imprimés avec n’importe quelle forme à partir d’un modèle.

Que peuvent faire les pérovskites photoniques ?

Contrôle de la puissance sur la lumière

Les cristaux ont également démontré de forts effets optiques non linéaires. L’optique non linéaire nous permet de modifier la couleur et la forme d’un faisceau lumineux dans l’espace et le temps et de créer les événements les plus courts jamais réalisés par l’homme — tous des phénomènes très utiles pour le calcul photonique.

Effets quantiques

La lumière émise par le cristal de pérovskite est produite par un état de matière très spécial appelé condensat de Bose‑Einstein.

Source: UCSB Physics Department

Ce 5ᵉ état de la matière (en plus du solide, du gaz, du liquide et du plasma) est celui où de nombreux atomes peuvent se comporter comme une onde plutôt que comme de la matière ordinaire. À cet égard, cela fait que plusieurs atomes agissent comme le font normalement uniquement les particules subatomiques, rendant les effets quantiques visibles à une échelle presque macroscopique.

Ce état des cristaux de pérovskite a créé un condensat exciton‑polariton, un sous‑type spécifique de condensat de Bose‑Einstein.

Ainsi, les effets non linéaires observés sont probablement liés aux interactions au sein du condensat.

Grâce aux propriétés uniques des structures de pérovskite, le condensat peut parcourir de longues distances à l’intérieur des cristaux, et la lumière émise peut se propager à travers des espaces d’air vers les structures voisines.

Dr. Helgi Sigurðsson – Faculty of Physics University of Warsaw

Être capable de créer et de manipuler à volonté ces condensats de Bose‑Einstein donne aux scientifiques la possibilité d’émettre et de diffuser la lumière de manière très précise.

Cela sera très utile pour développer des puces photoniques fiables et haute performance.

Simulations pour une meilleure prédiction

L’article de recherche explique également comment, grâce à des calculs complexes, ils ont pu créer une simulation de structures 3D de forme complexe, et leur impact sur les modes photoniques, ainsi que montrer comment leur image se forme.

“La découverte permet leur utilisation dans des systèmes « on‑chip » compacts capables de gérer à la fois des tâches de calcul classiques et quantiques.

Nous prévoyons que nos découvertes ouvriront la voie à de futurs dispositifs capables de fonctionner au niveau de photons uniques, intégrant des nanolasers avec des guides d’ondes et d’autres éléments sur une même puce.

Prof. Michał Matuszewski – Center for Theoretical Physics of the Polish Academy of Sciences

Ainsi, les travaux futurs pourront prédire des effets optiques utiles pour la photonique et la transmission de données sans signaux électriques.

Applications futures

Ordinateur photono‑quantique

Un avantage clé de l’utilisation de ces découvertes sur les pérovskites est que ces cristaux peuvent être utilisés à température ambiante.

C’est très important, car normalement, les effets des condensats de Bose‑Einstein ne sont observables qu’à des températures légèrement supérieures au zéro absolu. Ce qui les rend évidemment beaucoup moins pratiques et utiles pour tout calcul « normal ».

Cela pourrait également brouiller la frontière entre l’informatique quantique et la photonique, avec peut‑être des systèmes informatiques futurs utilisant les deux simultanément.

Cela inclut des concepts très avancés comme la photonique non linéaire sous forme de guides d’ondes, coupleurs, séparateurs et modulateurs.

Informatique silicium‑pérovskite

Une autre caractéristique de ces nouveaux cristaux de pérovskite finement ajustés est leur compatibilité avec les substrats en silicium et en gallium‑arséniure. Ils peuvent donc être combinés facilement avec les technologies de semi‑conducteurs en silicium et autres matériaux existants.

Cela pourrait considérablement réduire l’écart entre la technologie informatique actuelle et l’adoption de la photonique, la photonique étant d’abord développée et adoptée pour des applications limitées, au lieu de nécessiter d’abord un tout nouveau type d’ensemble technologique parallèle.

Investir dans les pérovskites et la photonique

Grâce aux applications déjà existantes dans le solaire et l’informatique, les pérovskites et la photonique peuvent déjà être investis, même s’ils se situent à la pointe des sciences des matériaux et de l’innovation informatique.

Vous pouvez investir dans des entreprises de photonique via de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, et Royaume‑Uni, ainsi que de nombreux autres pays.

Si vous n’êtes pas intéressé par la sélection d’entreprises de photonique spécifiques, vous pouvez également vous tourner vers des ETF tels que Global X Cloud Computing ETF (CLOU), Defiance Quantum ETF (QTUM) ou ProShares Nanotechnology ETF (TINY), qui offriront une exposition plus diversifiée pour capitaliser sur l’industrie de la photonique.

Vous pouvez également lire notre article sur les « Top 10 des entreprises informatiques non‑silicon ».

Entreprises de photonique

1. JABIL

À la fin de 2023, Intel a décidé de céder son activité photonique à la société de fabrication de semi‑conducteurs Jabil (JBL).

Plus précisément, elle a acquis la technologie de transceiver photonique en silicium d’Intel, qui peut combler le fossé entre les signaux optiques et les signaux électroniques sur le silicium.

Source: TrendForce

« Les modules d’Intel sont utilisés pour connecter les commutateurs Ethernet dans les grands centres de données, mais à mesure que la demande de bande passante augmente, l’entreprise s’attend à ce que la photonique en silicium co‑emballée avec les ASICs de commutation fournisse la densité de bande passante nécessaire pour faire évoluer les futurs réseaux de centres de données.

Jabil est extrêmement bien positionnée pour soutenir les clients lorsqu’ils intègrent des technologies innovantes dans leurs centres de données afin de répondre aux exigences croissantes en matière d’alimentation et de refroidissement induites par l’intelligence artificielle.

Matt Crowley, Jabil’s senior VP of cloud and enterprise infrastructure

Cela a apporté des IP supplémentaires au département photonique de l’entreprise, qui commercialise déjà des technologies basées sur la photonique :

• Solutions de fixation de fibres : alignement actif, alignement passif, fibre unique, réseau de fibres.
• Solutions d’assemblage : pick‑and‑place, liaison de puce, liaison filaire, flip chip, refusion.
• Application et gestion d’époxy : sélection, caractérisation, dosage.
• Solutions d’encapsulation : boîtier en or, dam‑and‑fill, glob‑top.
• Optique en espace libre : lentilles/réseaux de lentilles, façonnage de faisceau, séparateurs, diffuseurs, guides d’ondes.

Jabil possède une activité diversifiée, avec des revenus de plusieurs milliards provenant des constructeurs automobiles, de la santé et de l’emballage, des entreprises industrielles, du sans fil 5G, etc., pour un total de 27,5 milliards de dollars de revenus en 2024.

L’entreprise pourrait grandement bénéficier d’une meilleure technologie photonique, compte tenu de son rôle préexistant dans la production de séparateurs, de façonnages, etc. pour les réseaux de lumière.

L’IP d’Intel pourrait également aider à combler le fossé entre le silicium et la lumière émise par les cristaux de pérovskite.

Alors que la demande d’interconnexion de puces augmente pour les applications d’IA, cela pourrait être la première grande percée de la photonique, avec un rôle d’interfaçage (toujours) de l’informatique basée sur le silicium avec le réseau optique basé sur la photonique.

2. II-VI Marlow / Coherent

Coherent est un grand conglomérat industriel comptant plus de 26 000 employés et leader dans la technologie laser, résultant de la fusion du matériau avancé II‑VI Marlow avec le fabricant de lasers Coherent.

L’entreprise est experte en matériaux avancés utilisés dans les lasers, l’optique et la photonique, tels que le phosphure d’indium, les wafers épitaxiaux et le gallium arsenide.

Elle s’est développée principalement grâce à de multiples acquisitions au cours de la dernière décennie.

Source: Coherent

L’entreprise tire 29 % de ses revenus du laser, le reste étant lié à des équipements associés tels que la fibre optique, l’électronique et l’instrumentation.

Source: Coherent

La présence de l’entreprise dans les matériaux avancés comme les thermophotovoltaïques (dont nous avons parlé dans un article précédent), le carbure de silicium, les lasers et l’électronique l’aide à profiter des tendances structurelles telles que la croissance de la fabrication de précision, la fabrication additive (impression 3D), l’électrification et les énergies renouvelables.

L’entreprise a récemment séparé son activité de carbure de silicium en une nouvelle entité, détenue à 75 % par Coherent, le reste étant détenu à parts égales par ses partenaires Mitsubishi Electric (apportant la propriété intellectuelle du carbure de silicium) et Denso (apportant son activité de fournisseur automobile dans l’électrification et les semi‑conducteurs de puissance).