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Posté par Michel le Mercredi 23/11/2005 à 00:00
Rendre possible l'impossible: Un laser au silicium
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 (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et...) Brown a conçu le premier laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser...) directement élaboré à partir du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) en modifiant la structure du cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie, tout...) à l'aide d'une nouvelle technique à l'échelle nanométrique.

Depuis la création du premier laser fonctionnel, à partir d'un rubis (Le rubis est la variété rouge de la famille minérale corindon. Sa couleur est causée principalement par la présence d'oxyde de chrome (les autres variétés de...) en 1960, les scientifiques ont élaboré ces sources lumineuses à partir de substances s'étendant du néon (Le néon est un élément chimique, de symbole Ne et de numéro atomique 10.) au saphir (Le saphir est une variété gemme de corindon pouvant présenter de multiples couleurs, sauf la couleur rouge qui désigne alors uniquement le rubis. Le saphir est une pierre précieuse). 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 (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse...) puisse émettre de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à la...).

Mais l'équipe du professeur Jimmy Xu a rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à la fois des objets et des sources de lumière et...) 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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant...) ambiante: une température de moins 200°C est actuellement nécessaire à son fonctionnement. Mais un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés...) 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 (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) des ordinateurs ou des réseaux à fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) 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 (La chirurgie est une technique médicale consistant en une intervention physique sur les tissus, notamment par incision et suture. Un médecin spécialisé dans cette discipline est...). "Toute nouvelle découverte scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...) 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 (En physique de la matière condensée, un phonon (du grec ancien φονη / phonê, la voix) désigne un quantum de vibration dans un solide cristallin,...) "marieur", opérant avec précision au bon moment, au bon endroit, afin d'établir la connexion atomique.

Dans le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur le...), 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 (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...).

Pour cela, l'équipe a élaboré un gabarit, ou "masque", en aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) anodisé, d'environ un millimètre carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même mesure. Un carré est à la fois un...), 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 (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état...) 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'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.), l'étroitesse de l'étendue spectrale et autres.

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Source: Brown University
 
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