Des métamatériaux hyperboliques pour la photonique infrarouge
Publié par Adrien le 03/09/2019 à 08:00
Source: CNRS INSIS
Capables d'une focalisation extrême de la lumière, les métamatériaux hyperboliques trouvent de nombreuses applications en photonique. Des chercheurs de l'Institut des nanotechnologies de Lyon en ont obtenu de nouveaux, présentant des performances inédites dans l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.). Publiés dans la revue American Chemical Society Photonics, ces travaux pourraient aider à concevoir de meilleures sources optiques et détecteurs de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...).


© INL La structure en couches ultraminces du métamatériau hyperbolique.

Formés de l'alternance de couches nanométriques, les métamatériaux hyperboliques possèdent des propriétés optiques exceptionnelles. Leur permittivité (En électromagnétisme, la permittivité ε d'un matériau est le rapport D/E du déplacement électrique (aussi appelé induction électrique ou...), qui décrit la manière dont les charges électriques s'organisent dans le 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...) sous l'effet d'un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de...), n'est pas la même dans toutes les directions de l'espace et peut devenir négative. Cela permet aux métamatériaux hyperboliques de focaliser 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 des dimensions (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...) inférieures à 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 lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement développé.) 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...), limite que ne franchissent pas les lentilles classiques. Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) des nanotechnologies de Lyon (INL, CNRS/École centrale de Lyon/CPE Lyon/INSA Lyon/Université Claude Bernard) ont conçu des métamatériaux hyperboliques particulièrement efficaces dans l'infrarouge, domaine spectral pour lequel il en existe très peu.

Ils ont pour cela conçu des structures nanométriques alternant des couches minces de cinq nanomètres de LaxSr1-xTiO3 (LSTO) et de SrTiO3 (STO). Ils ajustent leurs propriétés en remplaçant partiellement le strontium (Sr) par du lanthane (La), jusqu'à surpasser les performances des meilleurs métamatériaux hyperboliques dans l'infrarouge connus jusqu'alors. Ultracompacts, les métamatériaux de l'INL s'intègrent facilement aux semiconducteurs les plus courants en photonique: le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) et l'arséniure de gallium. Ils devraient en particulier permettre d'améliorer les performances des cavités optiques, dispositifs essentiels pour la réalisation de sources optiques et de détecteurs de gaz.

Références

Perovskite-oxide based hyperbolic metamaterials,
Mohamed Bouras, Dong Han, Sébastien Cueff, Romain Bachelet and Guillaume (Guillaume est un prénom masculin d'origine germanique. Le nom vient de Wille, volonté et Helm, heaume, casque, protection.) Saint-Girons.
ACS Photonics, 6, 7, 1755-1762 (2019)
DOI: 10.1021/acsphotonics.9b00485
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