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 humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) 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 d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) 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 faire des objets.) 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 éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de...) comparable à la longueur 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.) 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 diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) et qui sont une généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de concepts ou d'objets en négligeant les détails de façon à ce qu'ils puissent...) 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 science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du grec, qui connaît 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 suivants :) 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 électromagnétiques dans les milieux. On distingue généralement...) dans une structure semi-conductrice nanométrique composée d'une succession de couches de GaAs (arséniure de gallium, 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. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.), 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 électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) de longueur 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...) 870 nm et d'hyper-son de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans...) 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 radioélectrique s'étendant de 30 MHz à 300 MHz, soit de 1 à 10 m de longueur d'onde.) 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 de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état appelé vaporisation.) 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 vérification et de maîtrise.) du 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...). 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.


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.

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Contact chercheur:
- Daniel Lanzillotti-Kimura - Chargé de 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 métonymique, la recherche scientifique désigne...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) au C2N