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Cristal photonique

Les cristaux photoniques sont des structures périodiques de matériaux diélectriques ou métalliques conçues pour modifier la propagation des ondes électromagnétiques de la même manière qu'un potentiel périodique dans un cristal semi-conducteur affecte le déplacement des électrons en créant des bandes d'énergie autorisées et interdites. L'absence de modes propagatifs des ondes électromagnétiques (EM) dans de telles structures, dans une plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de matériaux d'une taille allant des sables...) de fréquences ou de longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...), est alors qualifiée de bande interdite (band gap en anglais).

La forme la plus simple de cristal photonique (Les cristaux photoniques sont des structures périodiques de matériaux diélectriques ou métalliques conçues pour modifier la...) est une structure périodique à une dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de...) composée d'un empilement multicouche également appelé « miroir de Bragg ». C'est Lord Rayleigh en 1887 qui a le premier montré que l'on pouvait ainsi produire un gap ou bande interdite. La possibilité de produire des structures à deux ou trois dimensions qui posséderaient des bandes interdites a été initiée par Eli Yablonovitch et Sajeev John en 1987.

Bracelet monté d'une opale, cristal photonique naturel
Bracelet monté d'une opale (Une opale est un minéral composé de silice hydratée de formule SiO2, nH2O avec des traces : U;Mg;Ca;Al;Fe;As;Na;K. la teneur en eau est comprise habituellement entre 3 et 9 %, elle peut atteindre 20% suivant...), 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...) photonique naturel

L'opale est une roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est formé par un...) constituée de micro-billes de silice réparties selon un arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les dénombrements en analyse combinatoire.) plus ou moins régulier. De fait, c'est un cristal photonique naturel, même si celui-ci n'a pas de bande interdite complète (i.e. la bande interdite ne s'étend pas selon toutes les directions cristallographiques principales du matériau). Le phénomène physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) sous-jacent étant la diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut...) de la lumière par la microstructure, la périodicité du cristal doit être de l'ordre de la moitié de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) de la lumière incidente pour générer des interférences, soit entre 200 et 400 nm pour fonctionner dans le visible. De même le ver (Les vers constituent un groupe très hétérogène d'animaux invertébrés qui partagent une caractéristique commune, à savoir un corps mou, flexible, de forme allongée et ne comportant aucune partie...) marin Aphrodita possède des épines qui constituent des cristaux photoniques (Les cristaux photoniques sont des structures périodiques de matériaux diélectriques ou métalliques conçues pour modifier la propagation des ondes...) plus efficaces que ceux fabriqués par l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère est appelé un...).

Ces structures sont actuellement la source de nombreuses expériences en optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) telles que l'inhibition de l'émission spontanée, les miroirs omnidirectionnels à haute réflectivité ainsi que des guides d'ondes à faibles pertes ... Les cristaux photoniques permettent déjà le contrôle et la manipulation de la lumière en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'applications de type télécom. Les cristaux à deux dimensions ont en effet atteint le niveau de maturité nécessaire pour le développement d'applications. La fabrication de cristaux photoniques à trois dimensions est encore au stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et...) de la 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...), alors que des cristaux phononiques (Un cristal phononique est une structure périodique composée de matériaux de propriétés élastiques...) 3D existent déjà...

En micro-ondes ces cristaux photoniques sont parfois appelés matériaux à bande éléctromagnétique interdite. Ils sont souvent réalisés à l'aide d'assemblages périodiques métalliques ou métallo-diélectriques et permettent la réalisation de filtres, d'antennes et de différents composants utilisés en télécommunications.

Diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie etc....) de dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les...)

Comme en physique du solide, le cristal photonique est caractérisé par son diagramme de dispersion. Le théorème de Bloch-Floquet permet de déterminer l'existence de modes éléctromagnétiques que peut supporter le cristal. Pour une direction de propagation donnée, généralement donné par un vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication...) d'onde, on reporte l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) des fréquence propre que le système peut supporter. Ce diagramme est appelé diagramme de dispersion.Il représente les modes possibles en fonction de la longueur d'onde et du vecteur d'onde.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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