En nanophotonique, de minuscules structures sont utilisées pour contrôler la lumière à l'échelle nanométrique et la rendre utile pour les applications technologiques. Un élément clé ici est les résonateurs optiques, qui piègent et amplifient la lumière d'une certaine couleur (longueur d'onde).
Les méthodes précédentes pour contrôler ces résonances ressemblaient davantage à un interrupteur de gradateur: vous pouviez affaiblir la résonance ou déplacer légèrement sa couleur. Cependant, une véritable commutation en marche et sans off n'était pas possible, car les résonateurs restent toujours fondamentalement couplés à la lumière.
Une équipe dirigée par Andreas Tittl, professeur de physique expérimentale à LMU, a maintenant précisé cette percée, ainsi que des partenaires de l'Université Monash en Australie. Comme le rapportent les chercheurs dans la revue Natureils ont développé une nouvelle méthode pour contrôler le couplage entre les nanoresonateurs et la lumière d'une manière ciblée sur des échelles de temps ultra-détruites. De cette façon, une résonance ne peut être créée à partir de rien dans quelques picosecondes ou a fait disparaître complètement.
Invisible à la lumière
La clé réside dans la conception ingénieuse des métasurfaces soi-disant – les couches à ultrathine qui incorporent des nanostructures spécialement disposées. Les chercheurs ont conçu et construit des structures qui étaient chacune composées de deux petites tiges de silicium, qui ont délibérément donné différentes formes géométriques – en d'autres termes, étaient asymétriques. L'informatique clé: bien que les tiges soient géométriquement différentes, leurs réponses optiques à une certaine longueur d'onde de lumière s'annule précisément. Cela signifie que la structure est physiquement présente, mais reste « invisible » à la lumière; La résonance est «éteinte».
C'est cette asymétrie qui permet la procédure de commutation. Parce que les deux nano-Rods sont différents, ils réagissent différemment à la lumière de diverses longueurs d'onde et polarisations. Les physiciens ont exploité cela en excitant délibérément un seul des deux nano-rods avec une impulsion laser ultra-rapide de seulement 200 fémtosecondes en durée. Cela a temporairement modifié ses caractéristiques optiques, perturbé l'équilibre fin et a amené la résonance à coupler soudainement la lumière – elle a été « allumée ».
Rupture de symétrie ciblée
« La pièce maîtresse de notre travail est cette rupture de symétrie délibérée sur des échelles de temps extrêmement courtes », explique Tittl. « Nous générons un équilibre optique parfait dans un système structurellement asymétrique.
En plus de la conception numérique et de la fabrication ultérieure des métasurfaces dans une salle blanche, la mesure optique de leur comportement temporel a également présenté un défi majeur.
« Ce n'est qu'à l'aide de notre approche de spectroscopie résolue dans le temps que nous avons pu capturer expérimentalement ces processus ultra-rapides et regarder, en temps réel, comment la résonance apparaît dans les picosecondes puis disparaît à nouveau », explique Leonardo de S. Menezes, qui était en charge des expériences spectroscopiques.
« Nos mesures ont montré une énorme augmentation du couplage avec la lumière, alors qu'il n'y avait guère de pertes d'énergie indésirables dans le matériau lui-même. C'était la preuve définitive que notre approche de la rupture de symétrie temporelle fonctionne précisément comme prévu. »
Dans leurs expériences, principalement menées par les deux auteurs principaux, Andreas Aigner et Thomas Possmayer, l'équipe a démontré quatre opérations de commutation différentes: la génération d'une résonance d'un état « sombre »; Extinction complète d'une résonance existante; et l'élargissement ciblé et l'affûtage du profil de résonance. Dans le cas de l'affûtage, par exemple, les chercheurs ont pu augmenter le facteur Q de la résonance – une mesure de sa qualité – à plus de 150%.
Changement de paradigme en nanophotonique
La capacité de contrôler directement le couplage avec la lumière est un décalage de paradigme pour la nanophotonique active. De plus, le principe ne se limite pas au silicium, mais peut facilement être étendu à d'autres matériaux et même des mécanismes de commutation plus rapides, ce qui élargit encore le potentiel d'applications futures. Le contrôle précis de la présence et de l'absence de résonances pourrait permettre non seulement des commutateurs à faible perte et purement optiques pour les télécommunications ou le traitement des données optiques, mais également à faire progresser les recherches sur des phénomènes quantiques complexes tels que les soi-disant cristaux de temps.
