Une nouvelle étude a démontré avec succès le confinement des dimensions de la lumière Terahertz (THz) à l'échelle nanométrique en utilisant un nouveau type de matériau en couches. Cela pourrait entraîner des améliorations des dispositifs optoélectroniques tels que les émetteurs infrarouges utilisés dans les télécommandes et la vision nocturne et l'optique de Terahertz souhaitée pour la sécurité physique et la détection environnementale.
L'article, « Ultraconfined Teahertz Phonon Polaritons in Hafnium Dichalcogénide », est publié dans Matériaux de la nature. La recherche a été dirigée par Josh Caldwell, professeur de génie mécanique et directeur du programme interdisciplinaire des diplômés en sciences des matériaux à l'Université Vanderbilt, et Alex Paarmann du Fritz Haber Institute en collaboration avec le professeur Lukas M. Eng de la Technische Universität Dresden (TUD), Allemand.
Alors que la technologie THz promet un traitement de données à grande vitesse, l'intégrer dans des dispositifs compacts a été difficile en raison de sa longue longueur d'onde. Les matériaux traditionnels ont eu du mal à limiter efficacement la lumière THz, ce qui limite le potentiel de miniaturisation.
Pour y remédier, l'équipe de recherche a utilisé des dichalcogénides de hafnium, un type de matériau en couches composé d'éléments de hafnium et de chalcogène comme le soufre ou le sélénium. En utilisant des polaritons de phonons (un type de quasiparticule résultant du couplage de photons avec des vibrations de réseau dans un cristal), ils ont atteint un confinement extrême de la lumière THz, comprimant les longueurs d'onde THz de plus de 50 microns de longueur à des dimensions qui étaient inférieures à 250 nanomètres. Cela a été accompli avec une perte d'énergie minimale, ouvrant la voie à des dispositifs THz plus économes en énergie.
« Un collaborateur, Artem Mishchenko, a mis cette avancée dans son contexte, ce qui rend l'analogie que la compression de plus de 200 fois des vagues légères s'apparente à prendre des vagues de l'océan et à les confiner à une tasse de thé », a noté Caldwell.
La recherche collaborative de l'équipe s'est concentrée sur la compréhension de la façon dont la lumière et la matière interagissent à l'échelle nano- à atomique, leur influence sur l'optique non linéaire et la façon dont ces changements diffèrent des matériaux en vrac. Cela implique le confinement sous-diffractionnel de la lumière en utilisant des polaritons dans le domaine spectral optique (principalement l'infrarouge), la conception de composants optiques à l'échelle nanométrique et l'identification et la caractérisation de nouveaux matériaux optiques, électro-optiques et électroniques.
« Cela a commencé comme un projet de recherche d'été pour un élève du secondaire, mais s'est rapidement étendu à une observation passionnante d'un niveau de confinement optique sans précédent », a déclaré Caldwell.
L'étude a émergé d'une collaboration de longue date entre le FHI basé à Berlin, Vanderbilt et Tu Dresde, en utilisant la station de fin de microscopie optique en champ proche installée par le groupe d'anglais à l'installation utilisateur laser à l'électron libre (HZDR), allemand. Cette station de fin a été développée et maintenue en tant que laboratoire d'utilisateurs au cours des 15 dernières années en collaboration étroite entre Tu Dresde et HZDR.
« L'exploration de la compression de la lumière THz ultra-vierge via des polaritons phonon, par exemple dans les dichalcogénides de hafnium, nécessite les capacités d'imagerie à l'échelle nanométrique extrêmes de notre microscope à champ proche au laser à électrons francs HZDR ».
Les résultats pourraient conduire au développement de résonateurs THz ultra-compacts et de guides d'ondes, essentiels pour les applications de détection environnementale et d'imagerie de sécurité. L'intégration de ces matériaux dans les hétérostructures de Van der Waals (structures réalisées par des couches d'empilement de matériaux bidimensionnels avec une faible interaction verticale) pourrait encore améliorer les capacités de la recherche sur les matériaux 2D, offrant de nouvelles opportunités pour l'intégration optoélectronique à l'échelle nanométrique.
Les chercheurs ont déclaré que l'étude met en évidence non seulement les dichalcogénides de hafnium comme une plate-forme prometteuse pour les applications THz, mais prépare également le terrain pour explorer une nouvelle physique grâce à un couplage léger ultra-fort, voire profond. Les résultats suggèrent un avenir où le dépistage des matériaux à haut débit pourrait identifier des matériaux encore plus efficaces pour la technologie THz, ce qui stimule l'innovation dans ce domaine critique.
« Notre travail avec le hafnium dichalcogénides montre comment nous pouvons repousser les limites de la technologie THz, transformant potentiellement la façon dont nous abordons l'intégration optoélectronique », a déclaré Paarmann.
