Les scientifiques ralentissent et orientent la lumière avec des nanoantennes résonnantes –

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  • La lumière est notoirement rapide. Sa vitesse est cruciale pour un échange rapide d’informations, mais à mesure que la lumière traverse les matériaux, ses chances d’interagir et d’exciter les atomes et les molécules peuvent devenir très faibles. Si les scientifiques pouvaient freiner les particules légères ou les photons, cela ouvrirait la porte à une foule de nouvelles applications technologiques.

    Maintenant, dans un article publié le 17 août, dans Nanotechnologie de la nature, Les scientifiques de Stanford démontrent une nouvelle approche pour ralentir la lumière de manière significative, tout comme une chambre d’écho retient le son et la dirige à volonté. Des chercheurs du laboratoire de Jennifer Dionne, professeur agrégé de science et d’ingénierie des matériaux à Stanford, ont structuré des puces de silicium ultrafines en barres nanométriques pour piéger la lumière de manière résonante, puis la libérer ou la rediriger plus tard. Ces résonateurs à «facteur de haute qualité» ou «à Q élevé» pourraient conduire à de nouvelles façons de manipuler et d’utiliser la lumière, y compris de nouvelles applications pour l’informatique quantique, la réalité virtuelle et la réalité augmentée; WiFi basé sur la lumière; et même la détection de virus comme le SARS-CoV-2.

    «Nous essayons essentiellement de piéger la lumière dans une petite boîte qui permet encore à la lumière d’aller et venir de nombreuses directions différentes», a déclaré le boursier postdoctoral Mark Lawrence, qui est également l’auteur principal de l’article. “Il est facile de piéger la lumière dans une boîte avec de nombreux côtés, mais pas si facile si les côtés sont transparents – comme c’est le cas avec de nombreuses applications à base de silicium.”

    Faire et fabriquer

    Avant de pouvoir manipuler la lumière, les résonateurs doivent être fabriqués, ce qui pose un certain nombre de défis.

    Un composant central de l’appareil est une couche extrêmement mince de silicium, qui emprisonne la lumière très efficacement et a une faible absorption dans le proche infrarouge, le spectre de la lumière que les scientifiques veulent contrôler. Le silicium repose sur une plaquette de matériau transparent (saphir, dans ce cas) dans laquelle les chercheurs dirigent un «stylo» de microscope électronique pour graver leur motif de nanoantenne. Le motif doit être dessiné aussi régulièrement que possible, car ces antennes servent de parois dans l’analogie de la chambre d’écho, et les imperfections inhibent la capacité de piégeage de la lumière.

    “Les résonances à haute qualité nécessitent la création de parois latérales extrêmement lisses qui ne permettent pas à la lumière de s’échapper”, a déclaré Dionne, qui est également vice-directeur adjoint des plates-formes de recherche / installations partagées. “Cela peut être réalisé assez régulièrement avec des structures à plus grande échelle du micron, mais c’est très difficile avec des nanostructures qui diffusent davantage la lumière.”

    La conception de motifs joue un rôle clé dans la création des nanostructures à Q élevé. “Sur un ordinateur, je peux dessiner des lignes ultra-lisses et des blocs de n’importe quelle géométrie donnée, mais la fabrication est limitée”, a déclaré Lawrence. «En fin de compte, nous avons dû trouver une conception qui offrait de bonnes performances de piégeage de la lumière, mais qui faisait partie des méthodes de fabrication existantes.

    Applications (facteur) de haute qualité

    Le bricolage de la conception a abouti à ce que Dionne et Lawrence décrivent comme une technologie de plate-forme importante avec de nombreuses applications pratiques.

    Les appareils ont démontré des facteurs de qualité jusqu’à 2 500, soit deux ordres de grandeur (ou 100 fois) plus élevés que tous les appareils similaires précédemment atteints. Les facteurs de qualité sont une mesure décrivant le comportement de résonance, qui dans ce cas est proportionnel à la durée de vie de la lumière. «En atteignant des facteurs de qualité de l’ordre de plusieurs milliers, nous sommes déjà dans une position idéale pour certaines applications technologiques très intéressantes», a déclaré Dionne.

    Par exemple, la détection biologique. Une seule biomolécule est si petite qu’elle est essentiellement invisible. Mais faire passer la lumière sur une molécule des centaines ou des milliers de fois peut augmenter considérablement les chances de créer un effet de diffusion détectable.

    Le laboratoire de Dionne travaille sur l’application de cette technique à la détection des antigènes COVID-19 – molécules qui déclenchent une réponse immunitaire – et des anticorps – protéines produites par le système immunitaire en réponse. “Notre technologie donnerait une lecture optique comme les médecins et les cliniciens ont l’habitude de voir”, a déclaré Dionne. “Mais nous avons l’opportunité de détecter un seul virus ou de très faibles concentrations d’une multitude d’anticorps en raison des fortes interactions lumière-molécule.” La conception des nanorésonateurs à Q élevé permet également à chaque antenne de fonctionner indépendamment pour détecter différents types d’anticorps simultanément.

    Bien que la pandémie ait stimulé son intérêt pour la détection virale, Dionne est également enthousiasmée par d’autres applications, telles que LIDAR – ou Light Detection and Ranging, qui est une technologie de mesure de distance au laser souvent utilisée dans les véhicules autonomes – que cette nouvelle technologie pourrait y contribuer. «Il y a quelques années, je n’aurais pas pu imaginer les immenses espaces d’application que ce travail toucherait», a déclaré Dionne. “Pour moi, ce projet a renforcé l’importance de la recherche fondamentale – vous ne pouvez pas toujours prédire où va la science fondamentale ou ce qu’elle va mener, mais il peut apporter des solutions essentielles aux défis futurs.”

    Cette innovation pourrait également être utile en science quantique. Par exemple, diviser des photons pour créer des photons intriqués qui restent connectés à un niveau quantique même éloignés les uns des autres nécessiterait généralement de grandes expériences optiques sur table avec de gros cristaux polis avec précision coûteux. “Si nous pouvons faire cela, mais utiliser nos nanostructures pour contrôler et façonner cette lumière enchevêtrée, peut-être qu’un jour nous aurons un générateur d’enchevêtrement que vous pourrez tenir dans votre main”, a déclaré Lawrence. “Avec nos résultats, nous sommes ravis d’examiner la nouvelle science qui est réalisable maintenant, mais aussi d’essayer de repousser les limites de ce qui est possible.”

    Les autres co-auteurs de Stanford incluent les étudiants diplômés David Russell Barton III et Jefferson Dixon, l’associé de recherche Jung-Hwan Song, l’ancien chercheur scientifique Jorik van de Groep et Mark Brongersma, professeur de science et d’ingénierie des matériaux. Ce travail a été financé par le DOE-EFRC, “Photonics at Thermodynamic Limits” ainsi que par l’AFOSR. Jen est également professeur agrégé, par courtoisie, de radiologie et membre du Wu Tsai Neurosciences Institute et de Bio-X.

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