Polariser la lumière à très petite échelle grâce aux vortex plasmoniques
Publié par Adrien le 08/01/2020 à 08:00
Source: CNRS INSIS
Phénomène optique aux multiples applications, la polarisation de la lumière passe par l'utilisation de composants macroscopiques tels que des lames de cristaux biréfringents. Afin de descendre à plus petites échelles et d'obtenir de nouvelles possibilités de maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à différents niveaux selon...) de la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation...), 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...) FEMTO-ST ont conçu des nano-antennes hélicoïdales en carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) recouvertes d'or. Selon ces travaux publiés dans la revue Light Science and Applications, ces antennes peuvent être combinées et permettre de nouvelles possibilités dans le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de la polarisation 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...).


Nano-antennes hélicoïdales vues au microscope électronique à balayage. Chaque hélice, en carbone recouvert d'or, est couplée à une nano-ouverture rectangulaire gravée dans une couche d'or déposée sur un substrat en verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué...). Insert: image au microscope optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) lumineux de la structure (aux 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 matière.) 1500 nm).
© FEMTO-ST

Les ondes lumineuses possèdent une direction de propagation, mais aussi une orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) de leur ondulation. La polarisation de la lumière consiste à privilégier une orientation particulière de l'ondulation, un phénomène généralement obtenu en faisant passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) la lumière au travers d'une fine lame de cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition...) biréfringent. Or ce système reste relativement rigide et se miniaturise mal. Des chercheurs de l'Institut FEMTO-ST (CNRS/Université Technologique Belfort-Montbéliard/Université de Franche-Comté/ENSMM) ont conçu une nano-antenne capable non seulement de manipuler l'état de polarisation de la lumière à très petite échelle, mais offre également un contrôle inédit de l'opération.

Leur dispositif miniature est formé du couplage d'une nano-hélice en carbone, recouverte d'une fine couche d'or, à une nano-ouverture creusée dans un film d'or déposé sur un substrat de verre (dispositif réalisé dans la salle blanche MIMENTO qui fait partie du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...) RENATECH coordonné par le CNRS). Une illumination de la nano-ouverture par le dessous, à travers le substrat, provoque une oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le...) collective des électrons libres du métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins....), ce qui aboutit à l'excitation d'états très confinés de la lumière appelés plasmons. En se propageant le long de l'hélice, les plasmons ainsi générés prennent la forme d'un vortex (un tourbillon) qui se convertit en bout d'hélice, de façon contrôlable et accordable, en un faisceau lumineux directif polarisé circulairement ou elliptiquement selon l'enroulement (Un enroulement en électrotechnique est un conducteur électrique isolé bobiné (enroulé autour d'un support). Cet enroulement peut n'être constitué que d'une seule spire (tour du support), comme...) de la nanostructure. En disposant ces nano-antennes sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...) de quelques micromètres au 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...), les chercheurs contrôlent la polarisation lumineuse à la carte, selon des règles non permises par les optiques de polarisation conventionnelles, telles que les lames de cristaux biréfringents.

Références:
M. Wang, R. Salut, H. Lu, M-A. Suarez, N. Martin and T. Grosjean. Subwavelength polarization optics via individual and coupled helical traveling-wave nanoantennas. Light: Sci. Appl., 2019, 8 (76), pp 1-8.
DOI: 10.1038/s41377-019-0186-2
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