Les antennes atomiques utilisant des diamants multiplient par un million l’énergie optique, permettant ainsi de nouvelles recherches en physique. Ceci a été réalisé grâce à une collaboration mondiale entre la théorie et les expériences. Crédit : Issues.fr.com
La théorie est devenue pratique sous la forme de nouveaux travaux du Université de Chicago La Pritzker School of Molecular Engineering exploite la remarquable capacité des défauts du diamant à concentrer l’énergie optique.
Les chercheurs ont développé des antennes atomiques utilisant des centres de lacunes en germanium dans les diamants, obtenant ainsi une amélioration de l'énergie optique d'un million de fois. Cette avancée permet l’étude de la physique fondamentale et ouvre de nouvelles voies de recherche. La collaboration entre équipes théoriques et expérimentales a été essentielle à cette avancée.
Antennes atomiques : exploiter la lumière pour des signaux puissants
De la même manière qu’une antenne radio capte une émission aérienne et concentre l’énergie en musique, les atomes individuels peuvent collecter et concentrer l’énergie de la lumière en un signal puissant et localisé que les chercheurs peuvent utiliser pour étudier les éléments fondamentaux de la matière.
Plus l'amélioration de l'intensité est puissante, meilleure est l'antenne. Cependant, les scientifiques n’ont jamais été en mesure d’exploiter les augmentations d’intensité potentiellement énormes de certaines « antennes atomiques » dans des matériaux solides simplement parce qu’ils étaient solides.
Relever les défis des matériaux solides
« La plupart du temps, lorsque des atomes sont présents dans des solides, ils interagissent avec l’environnement. Il y a beaucoup de désordre, ils sont secoués par les phonons et font face à d'autres perturbations qui réduisent la cohérence du signal », a déclaré Alex High, professeur adjoint à l'école Pritzker d'ingénierie moléculaire d'UChicago.
Dans un nouvel article publié le 7 juin dans Photonique naturelle, une équipe multi-institutionnelle dirigée par le High Lab a résolu ce problème. Ils ont utilisé des centres de lacunes en germanium dans des diamants pour créer une amélioration de l'énergie optique de six ordres de grandeur, un régime difficile à atteindre avec des structures d'antenne conventionnelles.
Le doctorant Zixi Li de la UChicago Pritzker School of Molecular Engineering est le co-premier auteur d'un nouvel article du laboratoire d'Asst. Professeur Alex High, qui démontre une nouvelle façon de fournir des mesures plus puissantes au niveau atomique. Crédit : Photo de Hong Qiao / École d'ingénierie moléculaire UChicago Pritzker
Antennes optiques révolutionnaires avec diamants
Cette augmentation d’énergie d’un million de fois crée ce que l’article appelle une antenne optique « exemplaire » et fournit un nouvel outil ouvrant des domaines de recherche entièrement nouveaux.
« Il ne s’agit pas seulement d’une percée technologique. C'est également une percée en physique fondamentale », a déclaré Zixi Li, doctorant PME, co-premier auteur de l'article. « Bien qu'il soit bien connu qu'un dipôle atomique excité peut générer un champ proche d'une intensité énorme, personne n'a jamais démontré cela dans une expérience auparavant. »
De la théorie à la pratique : réaliser des antennes optiques
La principale caractéristique d’une antenne optique est qu’elle crée un dipôle électronique oscillant lorsqu’elle est excitée par résonance.
« Les antennes optiques sont essentiellement des structures qui interagissent avec les champs électromagnétiques et absorbent ou émettent de la lumière à certaines résonances, comme les électrons se déplaçant entre les niveaux d'énergie dans ces centres de couleur », a déclaré High.
L’électron oscille lorsqu’il passe d’un état excité à un état fondamental et concentre une quantité d’énergie relativement énorme, ce qui fait d’un dipôle optique atomique dans un solide une excellente antenne – en théorie.
« Il ne s’agit pas seulement d’une percée technologique. C'est aussi une avancée majeure en physique fondamentale.
— Zixi Li, doctorant à l'École d'ingénierie moléculaire de l'Université de Chicago Pritzker
Relever les défis liés aux atomes à l'état solide
Ce qui maintenait cette capacité théorique était le fait que les atomes étaient dans des solides, soumis à toutes les bousculades, interférences électroniques et bruit général qui proviennent du fait de faire partie d'une structure étroitement compacte. Les centres de couleur – de petits défauts dans les diamants et autres matériaux dotés de propriétés quantiques intéressantes – ont fourni une solution à l’équipe.
« Ce qui a été observé au cours des sept ou huit dernières années, c'est que certains types de centres de coloration peuvent être immunisés contre ces effets environnementaux », a déclaré High.
Potentiel de l’émission de lumière mécanique quantique
Cela ouvre des opportunités de recherche fascinantes, a déclaré le co-auteur Darrick Chang de l'Institut des sciences photoniques de Barcelone, en Espagne.
« Pour moi, l'aspect le plus intéressant d'un centre de couleur n'est pas seulement l'amélioration du champ, mais aussi le fait que la lumière émise est intrinsèquement mécanique quantique », a-t-il déclaré. « Cela rend intéressant de se demander si une » antenne optique quantique « peut avoir un ensemble de fonctionnalités et de mécanismes de travail différents par rapport à une antenne optique classique. »
Des collaborations qui ouvrent la voie aux innovations
Mais transformer cette théorie en une antenne réalisable a pris des années, une collaboration avec des chercheurs du monde entier et les conseils théoriques du groupe Galli d'UChicago.
« La collaboration entre la théorie, le calcul et les expériences initiée par Alex High a non seulement contribué à la compréhension et à l'interprétation de la science fondamentale, mais a également ouvert de nouvelles lignes de recherche du côté informatique », a déclaré le professeur Guilia Galli de la PME Liew Family, co-auteur. sur le papier. « La collaboration a été extrêmement fructueuse. »
« La magie d'un centre de couleurs »
L’imagerie au niveau atomique est une combinaison d’amplification et de bande passante – la force du signal et la quantité de signal que vous pouvez étudier. Pour cette raison, le co-premier auteur Xinghan Guo considère la nouvelle technique comme complémentaire, et non comme remplaçant, des techniques existantes.
« Nous offrons une amplification beaucoup plus élevée mais notre bande passante est plus étroite », a déclaré Guo, qui a récemment terminé son doctorat à PME et est maintenant chercheur postdoctoral à Yale. « Si vous avez un signal très sélectif qui a une bande passante étroite mais qui nécessite beaucoup d’amplification, vous pouvez nous faire appel. »
Avantages des nouvelles techniques
La nouvelle technique offre d’autres avantages qu’un simple signal plus puissant. Alors que les techniques existantes telles que la spectroscopie Raman à molécule unique et la spectroscopie FRET augmentent le signal en le projetant avec de la lumière, cette technique ne nécessite que des nanowatts d'énergie pour s'activer. Cela signifie un signal fort sans le blanchiment, le chauffage et la fluorescence de fond créés par une lumière excessive.
Les centres de vacance en germanium ne dissipent pas non plus d'énergie lors de leur utilisation, contrairement aux antennes plasmoniques classiques.
« La magie d'un centre de couleur est qu'il est simultanément ponctuel et évite les pertes d'un matériau plasmonique, lui permettant ainsi de conserver son amélioration extrême du champ », a déclaré Chang.
Découvertes futures avec les antennes optiques
Pour High, ce qui est passionnant n’est pas la nouvelle forme d’antenne, mais les découvertes potentielles qu’elles permettront.
« Ce qui est passionnant, c'est qu'il s'agit d'une fonctionnalité générale », a déclaré High. « Nous pouvons intégrer ces centres de couleurs dans une vaste gamme de systèmes, puis les utiliser comme antennes locales pour développer de nouveaux processus qui à la fois construisent de nouveaux appareils et nous aident à comprendre le fonctionnement de l'univers. »
Financement : Q-NEXT, soutenu par le Département américain de l'énergie, l'Office of Science et les National Quantum Information Science Research Centers. ZL reconnaît le soutien de la bourse Kadanoff-Rice (subvention n° NSF DMR-2011854). Les efforts liés à la croissance des diamants ont été soutenus par le Département américain de l'énergie, l'Office of Basic Energy Sciences, la Division de la science et de l'ingénierie des matériaux.
