Un nouveau mécanisme pour manipuler la lumière dans les matériaux ultraplats

Publié par Adrien le 26/10/2021 à 09:00
Source: CNRS INP
Des chercheurs ont mis au point une technique permettant de contrôler la phase d'une onde lumineuse en jouant sur la géométrie de structures nanométriques. Cela ouvre la voie à des composants optiques miniaturisés, capables de manipuler des rayons lumineux avec une précision jamais atteinte.


Figure 1: (A) L'évolution de la phase en réflexion sur une boucle fermée dans l'espace des paramètres géométriques ne permet pas d'accumuler un déphasage conséquent. (B) Lorsque la boucle encercle un zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr,...), ou encore une singularité (D'une manière générale, le mot singularité décrit le caractère singulier de quelque chose ou...) topologique, un déphasage d'exactement 2 π.

Les métasurfaces sont des composants optiques ultraplats de nouvelle génération composés d'assemblages de milliers voire de millions de nanostructures aux géométries variées. Les fonctions optiques du composant final (la focalisation d'un faisceau lumineux par exemple) sont entièrement contrôlées par les propriétés de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) sur chacune de ces nanostructures. Seuls trois mécanismes sont connus pour manipuler la lumière en méta-optique: la diffusion par les nanostructures résonantes, la phase Pancharatnam-Berry et enfin les nanopiliers à indice de réfraction (L'indice de réfraction d'un milieu à une longueur d'onde donnée mesure le facteur de...) effectif.

Des chercheurs du Centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) sur l'hétéro-épitaxie et ses applications (CRHEA, CNRS) en collaboration avec le département "Electrical engineering and computer sciences" (Berkeley, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Californie) ont mis en oeuvre un nouveau mécanisme physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) qui modifie les valeurs de déphasages produites par les nanostructures. Ils utilisent pour cela des concepts de la physique topologique et la présence d'une singularité qu'ils ont mise en évidence dans l'espace des paramètres définissant la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...) finale des nanostructures (longueur, largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit...), hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.), indice optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...), etc.).


Figure 2: Les métasurfaces topologiques permettent de projeter deux images holographiques différentes lorsque l'on illumine le composant à l'aide d'un faisceau de lumière polarisée gauche (A) ou droite (B).topologique, un déphasage d'exactement 2 π.

Cette singularité correspond à une extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque...) du faisceau lumineux. L'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) lumineuse étant nulle, sa phase n'est plus définie. En restant dans les parages de la singularité, il est alors possible de parcourir l'espace des paramètres afin de dessiner des antennes dont les caractéristiques donneront à l'onde la phase désirée, entre 0 et 2π (cf. figure 1). Ce contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) du front d'onde permet d'élaborer une interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) nanostructurée réfléchissant un rayon lumineux selon un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) bien déterminé, mais aussi d'obtenir des effets de diffusions exceptionnelles, comme les comportements sans réflexion, l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) parfaite sur certains canaux de transmission ou réflexion, etc. Ces travaux ont fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) d'une publication dans la revue Science.

De tels composants ont vocation à remplacer une partie des dispositifs optiques classiques, comme les lentilles ou les miroirs servant à contrôler les faisceaux lumineux dans les téléphones portables, les caméras embarquées et autres systèmes portatifs miniaturisés. Plusieurs innovations de rupture, notamment les systèmes nécessitant du contrôle de front d'onde comme les LiDARs ou les dispositifs de réalité virtuelle (La réalité virtuelle est une simulation informatique interactive immersive, visuelle,...) et augmentée, devraient bénéficier également de cette nouvelle technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :). À plus long terme, ces composants trouveront des applications en photonique quantique, en polarimétrie, et pour la projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de...) d'image holographique (cf. figure 2).

Référence:
Plasmonic topological metasurface by encircling an exceptional point (Graphie).
Qinghua Song, Mutasem Odeh, Jesús Zúñiga-Pérez, Boubacar Kanté, Patrice Genevet, Science, paru le 19 août 2021.
DOI: 10.1126/science.abj3179.
Texte disponible sur les bases d'archives ouvertes HAL.
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