Profiter du désordre pour piéger au même endroit le son et la lumière

Publié par Redbran le 03/05/2019 à 14:00
Source: CNRS INP

©CNRS INP
Des physiciens proposent une approche nouvelle pour piéger des ondes lumineuses et acoustiques au même endroit en utilisant un empilement approximativement périodique de deux matériaux. Ils montrent que non seulement la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) et le son peuvent être piégés au même endroit à l'échelle nanométrique, mais également que leur interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) est renforcée.

Les ondes lumineuses se propagent dans les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) et si ceux-ci comportent une périodicité dans leur structure de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) comparable à la longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) de la lumière, leur propagation peut être contrôlée. L'existence d'un désordre peut de plus conduire à la localisation des ondes: c'est la localisation dite d'Anderson. De même, les ondes acoustiques - qui mettent en oeuvre le mouvement des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) et qui sont une généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de...) des ondes sonores jusqu'à des fréquences micro-ondes, peuvent se propager ou être localisées. Dans ce travail, grâce à une nouvelle collaboration réunissant un physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) spécialiste de l'interaction des ondes acoustiques avec la lumière du Centre de nanosciences et nanotechnologies (C2N, CNRS/Université Paris-Sud) et des physiciens barcelonais spécialistes de la localisation d'Anderson, les chercheurs ont trouvé une structure périodique composée d'un empilement de couches nanométriques de GaAs et d'AlAs possédant un certain degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...) de désordre et permettant la co-localisation de ces deux types d'ondes. Alors que cette co-localisation était déjà réalisée au sein de cavités nanométriques, cette nouvelle approche permettra de s'affranchir de certaines difficultés de réalisation des nanostructures et d'exploiter plus facilement les atouts de l'interaction entre son et lumière.

Les chercheurs ont modélisé la propagation des ondes (La propagation des ondes est un domaine de la physique s'intéressant aux déplacements des ondes...) dans une structure semi-conductrice nanométrique composée d'une succession de couches de GaAs (arséniure de gallium (Le gallium est un élément chimique, de symbole Ga et de numéro atomique 31. Sa...), d'épaisseur environ 62 nm) et d'AlAs (arséniure d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....), d'épaisseur environ 73 nm), en introduisant une variation aléatoire de ces épaisseurs de telle sorte que l'épaisseur totale du motif soit constante. La propagation des ondes dans cette structure est déterminée par leur réflexion et leur transmission aux interfaces entre les couches et dépend ainsi essentiellement du contraste des vitesses de propagation des ondes dans GaAs et AlAs, c'est-à-dire des rapports entre les deux indices pour la lumière et entre les deux impédances pour le son. Des conditions identiques de propagation et donc de localisation seront obtenues si ces rapports sont égaux. C'est ce que montrent les modélisations effectuées par les physiciens dans ce travail et qui est illustré sur la figure: avec des rapports tous les deux proches de 1.19 pour les deux matériaux choisis, il y a une co-localisation quasi-parfaite de lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre...) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) de longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) 870 nm et d'hyper-son de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) 18 GHz.

Ce travail montre donc que le désordre peut être exploité pour co-localiser de la lumière visible et du son à très haute fréquence (La bande des très haute fréquence (very high frequency/VHF) est la partie du spectre...) dans des nanostructures. Celles-ci seront préparées par évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente...) des matériaux et dépôt des couches successives, une fabrication "bottom-up" autorisant un très bon contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...). Grâce à une telle co-localisation, le couplage de la lumière et du son est exalté et cela ouvre des perspectives nouvelles, par exemple dans l'étude des systèmes optomécaniques, la réalisation de modulateurs optiques ultra-rapides et le couplage entre boîtes quantiques.


Colocalisation de photons et de phonons dans une structure quasi-périodique: pour chaque mode acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des...) il y a un mode optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) avec la même distribution spatiale. (Gauche) Spectres de transmission acoustique et optique. (Droite) Amplitudes des champs électrique et de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) acoustique montrant la colocalisation parfaite entre le mode optique à 327.68 THz et le mode acoustique à 18.38 GHz.

Référence publication:
Anderson photon-phonon colocalization in certain random superlattices.
G. Arregui, N. D. Lanzillotti-Kimura, C. M. Sotomayor-Torres et P. D. García, Physical Review Letters, le 1 février 2019.

Lire l'article sur la base d'archives ouvertes ArXiv.

Contact chercheur:
- Daniel Lanzillotti-Kimura - Chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) au C2N
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