Une équipe internationale de chercheurs a développé une nouvelle technique pour exciter et contrôler efficacement les vagues de la matière légère hautement confinées, connues sous le nom de polaritons de phonons hyperboliques d'ordre supérieur. Leur méthode établit non seulement de nouveaux enregistrements pour la qualité et la distance de propagation de ces ondes, mais utilise également une frontière nette pour créer une forme de pseudo-biréfringence, trier et diriger les ondes par mode dans différentes directions.
Cette avance, publiée dans Photonique de la natureouvre de nouvelles avenues pour le développement de dispositifs optiques à l'échelle nanométrique pour le traitement du signal à grande vitesse et la détection chimique ultra-sensible.
Dans la quête de circuits ultra-compacts et basés sur la lumière, les scientifiques se tournent vers les polaritons – des modes hybrides formés à partir du couplage de la lumière avec des excitations de matériaux optiquement actives telles que les plasmons ou les phonons. Ces quasiparticules remarquables peuvent presser la lumière dans les espaces bien plus petits que sa longueur d'onde naturelle, surmontant les limites conventionnelles de l'optique de champ lointain. Cependant, les variantes les plus confinées excitantes – les polaritons d'ordre plus élevés – ont été un défi majeur, car ils exigent un coup de pouce beaucoup plus important que les méthodes d'excitation en une seule étape peuvent fournir.
Menés par des scientifiques de l'Université Shanghai Jiao Tong et du National Center for Nanoscience and Technology (Chine), avec CIC Nanogune et ICFO – l'Institut des sciences photoniques (Espagne), l'équipe a développé un ingénient processus d'excitation en deux étapes.
Tout d'abord, une petite antenne en or éclairée par la lumière fournit une poussée initiale, créant un mode de polariton de phonons hyperboliques fondamental (d'ordre zéro) sur un moo biaxial lisse3 Dalle de cristal placée sur un substrat d'or monocristallin. Cette vague se déplace ensuite au bord de l'or, où le substrat se termine brusquement et le cristal est suspendu dans l'air. Alors qu'il traverse cette frontière brusque, l'onde est dispersée, se transformant en polaritons de phonon d'ordre supérieur.
« La diffusion du polariton d'ordre zéro à la frontière fournit le grand coup de pouce nécessaire pour exciter les modes d'ordre supérieur », explique le professeur Rainer Hillenbrand, un auteur principal de l'étude. « Nous avons constaté que cette méthode en deux étapes améliore considérablement l'efficacité d'excitation par rapport aux techniques d'excitation traditionnelles en une seule étape. »
Cette efficacité d'excitation améliorée, combinée à un moo à basse perte à faible perte à faible perte3 Slab, a permis à l'équipe d'observer des polaritons d'ordre supérieur d'une qualité sans précédent. Les vagues ont atteint un facteur record de qualité supérieure à ~ 45 et une longue distance de propagation, démontrant un potentiel pour les technologies photoniques de nouvelle génération.
Une nouvelle façon de diriger Nanolight
Le résultat le plus frappant de cette nouvelle technique d'excitation de Polariton est un phénomène que l'équipe appelle «pseudo-bifrigeance». À la limite aiguë d'or-air, différents modes de Polariton sont séparés spatialement tout en préservant leur polarisation. Les modes fondamentaux et d'ordre supérieur se plient à différents angles, les faisant se propager dans des directions entièrement différentes.
« Nous avons effectivement créé un contrôleur de trafic pour la lumière sur l'échelle nanométrique », explique le professeur Qing Dai, un autre auteur principal. « Cette capacité à trier différentes ordres de polaritons hyperboliques est un nouvel outil pour concevoir des circuits photoniques ultra-compacts. Il est similaire à l'effet de biréfringence dans certains cristaux, mais ici, il se produit sans aucun changement dans la polarisation de la lumière et est plus de dix fois plus fort. »
Cet effet puissant de rédaction de mode pourrait être exploité pour le multiplexage de division en mode, une technique qui utilise différentes formes d'onde pour transporter plusieurs flux de données indépendants le long d'un seul guide de nanowave, augmentant considérablement la capacité de traitement de l'information. D'autres applications potentielles incluent de nouveaux filtres optiques, des plaques d'onde et des biocapteurs sur puce hautement sensibles.
Dans l'ensemble, le travail fournit une plate-forme fondamentale pour manipuler la lumière à l'échelle nanométrique, avec des implications de grande envergure pour les futures technologies de nanophotonique, de communication sur puce et de traitement de l'information.
