Les physiciens de Eth Zurich ont développé une lentille qui peut transformer la lumière infrarouge en lumière visible en réduisant de moitié la longueur d'onde de la lumière incidente. L'étude est publiée dans Matériaux avancés.
Les lentilles sont les dispositifs optiques les plus utilisés. Les lentilles ou les objectifs de la caméra, par exemple, produisent une photo ou une vidéo nette en dirigeant la lumière à un point focal. La vitesse d'évolution dans le domaine de l'optique au cours des dernières décennies est illustrée par la transformation des caméras encombrantes conventionnelles en caméras smartphones compactes d'aujourd'hui.
Même les caméras de smartphone hautes performances nécessitent toujours une pile d'objectifs qui expliquent souvent la partie la plus épaisse du téléphone. Cette contrainte de taille est une caractéristique inhérente de la conception classique des lentilles – une lentille épaisse est cruciale pour la lumière de flexion pour capturer une image nette sur le capteur de la caméra.
Des progrès majeurs dans le domaine de l'optique au cours des 10 dernières années ont cherché à surmonter cette limitation et ont trouvé une solution sous forme de métallites. Ils sont plats, effectuent de la même manière que les lentilles normales et sont non seulement 40 fois plus minces qu'un cheveux humains moyens, mais aussi léger car ils n'ont pas besoin d'être faits en verre.
Une métasurface spéciale composée de structures à peine des centaines de nanomètres de largeur et de hauteur (un nanomètre est un milliardième d'un mètre) modifie la direction de la lumière. En utilisant de telles nanostructures, les chercheurs peuvent radicalement réduire la taille d'une lentille et le rendre plus compact.
Lorsqu'ils sont combinés avec des matériaux spéciaux, ces nanostructures peuvent être utilisées pour explorer d'autres propriétés inhabituelles de la lumière. Un exemple est l'optique non linéaire, où la lumière est convertie d'une couleur en une autre.
Un stylo laser vert fonctionne selon ce principe: la lumière infrarouge passe par un matériau cristallin de haute qualité et génère une lumière de la moitié de la longueur d'onde – dans ce cas de lumière verte. Un matériau bien connu qui produit de tels effets est le niobate de lithium. Ceci est utilisé dans l'industrie des télécommunications pour créer des composants qui interfacent l'électronique avec des fibres optiques.
Rachel Grange, professeur à l'Institut d'électronique quantique à ETH Zurich, mène des recherches sur la fabrication de nanostructures avec de tels matériaux. Elle et son équipe ont développé un nouveau processus qui permet à l'utilisation de lithium le niobate pour créer des métallites.
Pour sa nouvelle méthode, le physicien combine la synthèse chimique avec la nano-ingénierie de précision. « La solution contenant les précurseurs pour les cristaux de niobate de lithium peut être tamponnée tout en étant dans un état liquide. Il fonctionne de la même manière que la presse à imprimer de Gutenberg », explique le co-auteur, explique. Une fois le matériau chauffé à 600 ° C, il prend des propriétés cristallines qui permettent la conversion de la lumière comme dans le cas du stylo laser vert.
Le processus présente plusieurs avantages. La production de nanostructures de niobate de lithium est difficile en utilisant des méthodes conventionnelles car elle est exceptionnellement stable et difficile. Selon les chercheurs, cette technique convient à la production de masse car un moule inverse peut être utilisé à plusieurs reprises, permettant l'impression de autant de métaux que nécessaire. Il est également beaucoup plus rentable et plus rapide à fabriquer que les autres dispositifs optiques miniaturisés au lithium niobate.
Lentilles ultra-minces qui génèrent une nouvelle lumière
En utilisant cette technique, les chercheurs de l'ETH du groupe de Grange ont réussi à créer les premiers métallites de niobate de lithium avec des nanostructures avec précision. Tout en fonctionnant comme des lentilles de foyer normal, ces appareils peuvent modifier simultanément la longueur d'onde de la lumière laser. Lorsque la lumière infrarouge avec une longueur d'onde de 800 nanomètres est envoyée à travers le métal, un rayonnement visible avec une longueur d'onde de 400 nanomètres émerge de l'autre côté et est dirigé à un point désigné.
Cette conversion magique de la lumière, comme l'appelle Rachel Grange, n'est rendue possible que par la structure spéciale des métaux ultra-minces et sa composition d'un matériau qui permet l'occurrence de ce qui est connu sous le nom d'effet optique non linéaire. Cet effet ne se limite pas à une longueur d'onde laser définie, ce qui rend le processus très polyvalent dans un large éventail d'applications.
Des billets à l'épreuve des contrefaçons aux outils de microscopie de nouvelle génération
Les métallites et les nanostructures de génération d'hologrammes similaires pourraient être utilisées comme caractéristiques de sécurité pour rendre les billets de banque et les titres contrefaits et pour garantir l'authenticité des œuvres d'art. Leurs structures exactes sont trop petites pour être vues en utilisant une lumière visible, tandis que leurs propriétés de matériaux non linéaires permettent une authentification très fiable.
Les chercheurs peuvent également utiliser des détecteurs de caméras simples pour convertir et diriger l'émission de la lumière laser pour rendre la lumière infrarouge – dans les capteurs, par exemple – visibles. Ou pour réduire l'équipement nécessaire à la structuration de lumière en profondeur dans la fabrication d'électronique de pointe.
Le domaine de ces éléments optiques ultra-minces – connus sous le nom de métasurfaces – est une branche relativement jeune de la recherche à l'interface entre la physique, la science des matériaux et la chimie. « Nous n'avons fait que gratter la surface jusqu'à présent et nous sommes très ravis de voir à quel point ce type de nouvelle technologie rentable aura à l'avenir », explique Grange.
