Le bleu irisé des ailes de papillon a inspiré les chercheurs à trouver une solution à un défi auparavant considéré comme insurmontable – réglant dynamiquement les processus optiques avancés aux longueurs d'onde visibles.
Le résultat est une couche de matériau à motifs, une fraction de l'épaisseur d'un cheveux, qui pourrait sous-tendre une nouvelle technologie optique radicale: les applications de la technologie sont diverses, allant du camouflage adaptatif, par la biodétection aux moteurs légers quantiques pour l'informatique sur puce et les communications sécurisées.
La recherche est publiée dans Avancées scientifiques. Le premier auteur est le Dr Mudassar Nauman, de l'Arc Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS) et Bluglass Ltd.
« Nous avons repensé à la lumière et à l'interaction de la matière, ce qui nous a permis de prendre un problème et de le transformer en une partie de la solution », a déclaré le Dr Nauman, qui a fait le travail tandis qu'un étudiant s'est inscrit conjointement au département RSPHYS de génie des matériaux électroniques et à l'École d'ingénierie ANU.
« En reliant deux processus, nous avons transformé ce qui a été considéré comme une impasse et l'avons transformé en une réalité pratique si adaptable qu'elle peut être construite sur n'importe quoi, des panneaux de verre à une lentille de contact. »
La recherche correspond à un moyen d'activer l'optique non linéaire avec des méta-surfaces, des couches minces modélisées avec des structures plus petites que la longueur d'onde de la lumière, qui génèrent des propriétés des matériaux extrêmement différentes des matériaux naturels.
Mieux encore, les effets non linéaires peuvent être allumés et désactivés en modifiant la polarisation de la lumière d'entrée et réglée en modifiant la température du matériau.
Les processus optiques non linéaires possibles avec les nouveaux appareils permettent la conversion de haut et de descente des fréquences qui sont utiles dans des processus tels que la technologie de vision nocturne (convertissant la lumière infrarouge en lumière visible), ou générant des paires de photons entangées quantum, a déclaré le co-auteur du professeur Andrey Miroshnichenko, à partir de UNSW Canberra.
« L'aspect le plus excitant de ce travail est qu'il nous rapproche de la réalisation pratique des éléments optiques rapides et accordables – des technologies qui peuvent littéralement rendre l'invisible visible », a-t-il déclaré.
Le co-auteur du professeur Yuerui (Larry) Lu de l'École d'ingénierie ANU a ajouté: « Cette percée ouvre la voie à des dispositifs optiques reconfigurables avec des réponses non linéaires accordables, en tirant parti des avantages uniques des matériaux de van der Waals pour les technologies quantiques et photoniques de nouvelle génération. »
Des processus non linéaires efficaces nécessitent des matériaux avec un indice de réfraction élevé et de fortes qualités optiques.
Sur la base de ces critères, ce projet s'est concentré sur une classe exceptionnelle de matériaux: cristaux fabriqués à partir de métaux de transition combinés avec des anions de la famille de l'oxygène (groupe 16, connu sous le nom de chalcogéndes).
Ces dichalcogénides de métal de transition (TMDC) présentent de fortes propriétés semi-conductrices en raison de leur qualité monocristalline et de leurs interdictions larges et accordables. Ils présentent également des interactions légères extrêmement fortes, causées par la formation d'excitons, un quasiparticule formé par un électron et une liaison de trou.
Les TMDC peuvent être intégrés de manière transparente à la technologie des puces de silicium et promettre donc une évolutivité bon marché et pratique.
Cependant, dans leur forme de cristal commune 2H (cristal de couche miroir), les TMDC ont deux problèmes apparemment insurmontables: premièrement, bien que utiles pour les télécommunications, qui utilise des longueurs d'onde infrarouges, les TMDC sont opaques à la lumière visible nécessaire pour les applications de vision humaine, car les excitons absorbent si fortement.
Deuxièmement, leur structure cristalline est symétrique à propos de son point central, qui supprime la moitié des processus de conversion non linéaire: seule la conversion de fréquence en multiples étranges est autorisée (triple, quintuple, fréquences septuple, etc.) – jusqu'à ce que la génération harmonique la plus simple et généralement la plus efficace (également connu sous le nom de génération harmonique) est très faible.
D'autres recherches ont tenté de s'attaquer à ces problèmes mais ont été obstinées par des problèmes de fragilité structurelle, d'absorption ou de besoin de refroidissement cryogénique.
Tout en réfléchissant à ce défi, le Dr Nauman s'est inspiré des couleurs brillantes des ailes du genre Morpho Butterfly.
« Le secret du dynamisme est un système intelligent en deux parties. Les nanostructures transparentes reflètent la lumière bleue, et une couche de mélanine noire se trouve sous l'absorption de toute lumière errante », a déclaré le Dr Nauman.
« C'est comme un diamant sur du velours noir – le fond sombre rend l'éclat du diamant plus brillant. »
« La nature m'a appris que les meilleurs résultats proviennent souvent de solutions indirectes. »
La solution indirecte sur laquelle le Dr Nauman a frappé était d'utiliser un laser de pompe à longueur d'onde infrarouge proche, qui peut voyager dans le TMDC sans absorption, et pour le jumeler avec la conception de la métasurface pour concevoir A Resonance à 1220 nm – deux fois la longueur d'onde d'excitation – pour exploiter l'énergie.
Cette résonance, d'un type connu sous le nom d'un état quasi lié dans le continuum (QBIC), a été conçue pour être purement magnétique – évitant tout composant dipolaire électrique qui entraînerait des pertes radiatives. Cela a assuré que la résonance avait un Q élevé – en d'autres termes, l'énergie de la pompe a été piégée efficacement, ce qui lui permet de s'accumuler au niveau auquel il pourrait interagir avec les excitons à la double fréquence (moitié de la longueur d'onde, 610 nm) et pourrait générer le deuxième rayonnement harmonique normalement élevé.
Cette interaction virtuelle entre l'exciton et la résonance QBIC est le cœur des performances de l'appareil – et, de manière critique, c'est un lien que les chercheurs peuvent briser ou restaurer à la demande.
La géométrie de la métasurface nécessaire pour prendre en charge les QBIC comprend un tableau de nano-structures en forme de croissant, chacune plus petite que la longueur d'onde de la lumière. La réalisation d'un QBIC aussi purement magnétique dans un matériau non magnétique est rare, et ici il est réalisé dans un TMDC cristallin unique.
L'asymétrie des croissants a donné à la métasurface une réponse de polarisation – en modifiant la polarisation de la pompe commutant la résonance – et donc la liaison exciton virtuelle – ou off, modulant l'intensité lumineuse non linéaire.
Un contrôle plus dynamique peut être exercé en réglant la résonance de l'exciton, qui peut être décalée via la déformation du matériau, le champ électrique ou, comme cela a été utilisé dans cette expérience, la température.
« C'est une occasion remarquable d'utiliser l'impressionnabilité des excitons pour permettre une extrême accordage de la réponse non linéaire du métamatériau », a déclaré le directeur du TMOS, le professeur Dragomir Neshev.
Les premières expériences utilisant le disulfure de tungstène ont réussi à démontrer le principe, réalisant une amélioration de deux commandes de grandeur par rapport au disulfure de tungstène monocouche et quatre ordres d'amélioration de la magnitude sur un film en vrac sans motif, dans le spectre visible.
Changer la température entre -100 degrés Celsius et 100 degrés Celsius a décalé la résonance de l'exciton d'environ 20 nm. Le décalage a également changé la force de la connexion virtuelle, modulant ainsi l'intensité de lumière non linéaire.
Le travail d'équipe a été la clé de l'accomplissement, a déclaré le professeur distingué Mohsen Rahmani, de l'Université Nottingham Trent au Royaume-Uni.
« C'est inspirant de voir comment une équipe diversifiée de scientifiques de différents coins du globe peut collaborer à travers les frontières pour faire progresser les connaissances humaines », a-t-il déclaré.
Le succès débloque l'utilisation de TMDC pour la deuxième génération harmonique à travers un large éventail de spectres visibles à l'efficacité jamais réalisés auparavant.
« Il est excitant de remettre en question la sagesse conventionnelle. On s'attendrait normalement à ce que les excitons éteindent le signal harmonique par l'absorption. Ici, nous avons montré le contraire – nous n'avons pas seulement réalisé un élément de génération harmonique très amélioré, mais, plus important encore, nous gagnons une poignée puissante pour le régler dynamiquement de l'Université de Brescia, en Italie.
De nombreux avantages pourraient découler de la réussite des faiblesses de ces matériaux en forces, a déclaré le Dr Nauman.
« Nous avons transformé un TMDC en un émetteur non linéaire très efficace. Surtout, cette stratégie est universelle – les QBIC peuvent être excités dans les TMDC en vrac, à quelques couches et même monocouches, ce qui en fait une plate-forme puissante pour l'optique non linéaire accordable et hautement efficace », a-t-il déclaré.
« Parce qu'il peut être réglé de manière dynamique, cette approche peut être utilisée pour les technologies qui sonnent comme la science-fiction aujourd'hui; par exemple, les interfaces neuronales où l'interaction de la lumière de la lumière peut être réglée dynamiquement, des lentilles AR / VR holographiques ultrathiques reconfigurables, ou des métasurfaces contrôlées purement par la lumière. »
