Une équipe collaborative de chercheurs dirigée par Bo Zhen de l’École des arts et des sciences a créé de nouveaux matériaux en tordant et en empilant artificiellement des « feuilles » atomiques bidimensionnelles. Les nouveaux matériaux contrôlent l’interaction lumière-matière différemment des feuilles atomiques 2D constitutives, ouvrant la voie aux technologies laser, d’imagerie et quantiques de nouvelle génération.
Une équipe collaborative de physiciens de l’École des arts et des sciences a découvert que le fait de modifier les piles de bisulfure de tungstène ouvre la voie à de nouvelles approches pour manipuler la lumière.
La façon dont la lumière interagit avec les matériaux naturels est bien comprise en physique et en science des matériaux. Mais au cours des dernières décennies, les chercheurs ont fabriqué métamatériaux qui interagissent avec la lumière de nouvelles manières qui dépassent les limites physiques imposées aux matériaux naturels.
Les métamatériaux et leurs limites
Un métamatériau est composé de réseaux de « métaatomes » qui ont été transformés en structures souhaitables à l’échelle d’une centaine de nanomètres. La structure des réseaux de métaatomes facilite des interactions précises entre la lumière et la matière. Cependant, la grande taille des métaatomes par rapport aux atomes réguliers, qui sont inférieurs au nanomètre, a limité les performances des métamatériaux pour les applications pratiques.
Recherche innovante en métamatériaux
Aujourd’hui, une équipe de recherche collaborative dirigée par Bo Zhen de l’Université de Pennsylvanie a dévoilé une nouvelle approche qui conçoit directement les structures atomiques du matériau en empilant les réseaux bidimensionnels dans des formations en spirale pour exploiter une nouvelle interaction lumière-matière. Cette approche permet aux métamatériaux de surmonter les limitations techniques actuelles et ouvre la voie aux lasers, à l’imagerie et aux technologies quantiques de nouvelle génération. Leurs découvertes ont été récemment publiées dans la revue Photonique naturelle.
« C’est comme empiler un jeu de cartes, mais en tordant légèrement chaque carte avant de l’ajouter à la pile », explique Zhen, auteur principal de l’article et professeur adjoint à l’École des arts et des sciences de Penn. « Cette torsion change la façon dont l’ensemble du « pont » réagit à la lumière, lui permettant de présenter de nouvelles propriétés que les couches individuelles ou les piles traditionnelles ne possèdent pas. »
Vue d’artiste de la lumière voyageant à travers du disulfure de tungstène torsadé. Cela conduit à un changement de couleur et d’orientation du champ lumineux (champ lumineux hélicoïdal), révélant de nouvelles propriétés non observées dans le disulfure de tungstène naturel. Crédit : Avec l’aimable autorisation d’Ella Maru
Le point de vue de Kim sur les couches de disulfure de tungstène
Bumho Kim, chercheur postdoctoral au Zhen Lab et premier auteur de l’article, explique qu’en empilant des couches d’un matériau appelé disulfure de tungstène (WS2) et en les tordant selon certains angles, ils ont introduit ce que l’on appelle des symétries de vis.
« La magie réside dans le contrôle de la torsion », explique Kim. « Lorsque vous tournez les calques selon des angles spécifiques, vous modifiez la symétrie de la pile. La symétrie, dans ce contexte, fait référence à la façon dont certaines propriétés des matériaux, comme la manière dont ils interagissent avec la lumière, sont contraintes par leur disposition spatiale.
En modifiant cet arrangement à l’échelle atomique, les chercheurs ont contourné les règles régissant ce que ces matériaux peuvent faire et en contrôlant la torsion à travers plusieurs couches de WS.2ils ont créé ce que l’on appelle des matériaux optiques non linéaires 3D.
L’importance de la réponse chirale dans les matériaux
Kim explique qu’une seule couche de WS2 possède des symétries particulières, qui permettent certains types d’interactions avec la lumière, où deux photons à une fréquence donnée peuvent interagir avec le matériau pour produire un nouveau photon au double de la fréquence, un processus connu sous le nom de génération de seconde harmonique (SHG).
« Mais quand deux couches de WS2 sont empilés avec un angle de torsion différent des 0° ou 180° conventionnels, toutes les symétries des miroirs présentes dans la couche unique sont brisées », explique Kim. « Cette symétrie de miroir brisée est cruciale car elle conduit à une réponse chirale, quelque chose d’entièrement nouveau et non visible dans les couches individuelles. »
Les chercheurs expliquent que la réponse chirale est significative car il s’agit d’un effet coopératif résultant du couplage entre les fonctions d’onde électroniques des deux couches, un phénomène qui ne peut survenir que dans des interfaces torsadées.
Contrôle des propriétés non linéaires
Une propriété intéressante, ajoute Zhen, est que le signe de la réponse chirale non linéaire s’inverse lorsque l’angle de torsion est inversé. Cela démontre un contrôle direct sur les propriétés non linéaires en modifiant simplement l’angle de torsion entre les couches, un niveau de réglage qui pourrait être révolutionnaire pour la conception de matériaux optiques avec des réponses personnalisées.
En passant des bicouches aux tricouches et au-delà, les chercheurs ont observé comment les réponses SHG interfaciales peuvent interférer de manière constructive ou destructrice en fonction des angles de torsion entre les couches.
Dans une pile composée de couches en multiples de quatre, « les réponses chirales de toutes les interfaces s’additionnent, tandis que les réponses dans le plan s’annulent », explique Kim. « Cela conduit à un nouveau matériau qui présente uniquement des susceptibilités chirales non linéaires. Ce résultat ne pourrait pas être obtenu sans un empilement et une torsion précis des couches.
Symétrie des vis et ses implications
Les chercheurs ont découvert que la symétrie en vis permet une nouvelle sélectivité pour le champ électrique de la lumière dans le matériau, une partie de la lumière qui détermine sa direction et son intensité. Kim note comment ils ont découvert que la symétrie des vis permet un nouveau type de génération de lumière dans des empilements torsadés à quatre et huit couches, une génération de troisième harmonique à polarisation contra-circulaire, dans laquelle la lumière se déplace dans la direction opposée de la spirale, une qualité non observée dans les monocouches constitutives du WS2. .
« L’ajout d’une symétrie de vis artificielle nous permet de contrôler la sélectivité circulaire optique non linéaire au niveau à l’échelle nanométrique« , dit Kim.
Vérification expérimentale et impacts potentiels
En testant expérimentalement cette technique, les chercheurs ont vérifié les non-linéarités prédites inhérentes à diverses configurations de WS torsadés.2 des piles. L’équipe a observé de nouvelles réponses non linéaires et une sélectivité circulaire dans les WS torsadés2 des piles qui ne peuvent pas être trouvées dans les WS naturels2une révélation qui pourrait avoir de profondes implications dans le domaine de l’optique non linéaire.
Bo Zhen est professeur adjoint au Département de physique et d’astronomie de la School of Arts & Sciences de l’Université de Pennsylvanie.
Bumho Kim est chercheur postdoctoral au Département de physique et d’astronomie de la School of Arts & Sciences de Penn.
Les autres auteurs sont Jicheng Jin, Zhi Wang, Li He et Eugene Mele de l’Université de Pennsylvanie ; et Thomas Christensen du Massachusetts Institute of Technology et de l’Université technique du Danemark.
La recherche a été financée par l’Office of Naval Research (subvention N00014-20-1-2325 et N00014-21-1-2703) et le ministère de l’Énergie (subvention DE-FG02-84ER45118).
