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Plus fin que le photon lui-même – Les scientifiques inventent le plus petit moyen connu de guider la lumière

Hanyu Hong Holding Material

Des scientifiques de l’Université de Chicago ont découvert qu’un cristal de verre de seulement quelques atomes d’épaisseur peut piéger et transporter la lumière et pourrait être utilisé pour des applications. Le matériau est visible sous la forme d’une fine ligne au centre du plastique, tenue par Hanyu Hong, co-auteur de l’étude. Crédit : Jean Lachat

Les guides d’ondes optiques 2D pourraient ouvrir la voie à une technologie innovante.

Canaliser la lumière d’un endroit à un autre est l’épine dorsale de notre monde moderne. À travers les océans profonds et les vastes continents, les câbles à fibres optiques transportent de la lumière contenant des données allant des clips YouTube aux transmissions bancaires, le tout dans des fibres aussi fines qu’une mèche de cheveux.

Le professeur Jiwoong Park de l’Université de Chicago, cependant, s’est demandé ce qui se passerait si vous fabriquiez des mèches encore plus fines et plus plates, si fines qu’elles sont en réalité en 2D au lieu de 3D. Qu’arriverait-il à la lumière ?

Grâce à une série d’expériences innovantes, lui et son équipe ont découvert qu’une feuille de cristal de verre de seulement quelques atomes d’épaisseur pouvait piéger et transporter la lumière. De plus, il était étonnamment efficace et pouvait parcourir des distances relativement longues, jusqu’à un centimètre, ce qui est très loin dans le monde de l’informatique basée sur la lumière.

Jiwoong Park et le scientifique Hanyu Hong dans le laboratoire laser

Le professeur Jiwoong Park (à gauche) et le scientifique Hanyu Hong (à droite) dans le laboratoire laser, où ils ont confirmé que le matériau pouvait transporter de la lumière, même s’il est plus petit que la lumière elle-même. Crédit : Jean Lachat

La recherche, récemment publiée dans la revue Sciencedémontre ce qui est essentiellement des circuits photoniques 2D et pourrait ouvrir la voie à de nouvelles technologies.

« Nous avons été totalement surpris par la puissance de ce cristal ultra-fin ; non seulement il peut retenir l’énergie, mais il peut aussi la délivrer mille fois plus loin que quiconque n’a jamais vu dans des systèmes similaires », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Jiwoong Park, professeur et président de la chaire de chimie et membre du corps professoral de l’Institut James Franck et de la Pritzker School of Molecular Engineering. . « La lumière piégée s’est également comportée comme si elle voyageait dans un espace 2D. »

Lumière guidante

Le système nouvellement inventé est un moyen de guider la lumière – connu sous le nom de guide d’ondes – qui est essentiellement bidimensionnel. Lors de tests, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient utiliser des prismes, des lentilles et des interrupteurs extrêmement petits pour guider le chemin de la lumière le long d’une puce – tous les ingrédients nécessaires aux circuits et aux calculs.

Des circuits photoniques existent déjà, mais ils sont beaucoup plus grands et tridimensionnels. Surtout, dans les guides d’ondes existants, les particules de lumière, appelées photons, voyagent toujours enfermées à l’intérieur du guide d’ondes.

Avec ce système, expliquent les scientifiques, le cristal de verre est en réalité plus fin que le photon lui-même, de sorte qu’une partie du photon dépasse du cristal lors de son déplacement.

Parc Jiwoong et Hanyu Hong

Le professeur Jiwoong Park (à gauche) et le scientifique Hanyu Hong (à droite) examinent le matériel dans le laboratoire de Park à l’Université de Chicago. Lors des tests, ils pourraient utiliser de minuscules prismes, lentilles et interrupteurs pour guider le trajet de la lumière le long d’une puce – tous les ingrédients nécessaires aux circuits et aux calculs. Crédit : Jean Lachat

C’est un peu la différence entre construire un tube pour envoyer des valises dans un aéroport et les placer sur un tapis roulant. Dotées d’un tapis roulant, les valises sont ouvertes à l’air libre et vous pouvez facilement les voir et les ajuster en cours de route. Cette approche rend beaucoup plus facile la construction de dispositifs complexes avec des cristaux de verre, car la lumière peut être facilement déplacée avec des lentilles ou des prismes.

Les photons peuvent également obtenir des informations sur les conditions tout au long du parcours. Pensez à vérifier les valises qui arrivent de l’extérieur pour voir s’il neige dehors. De même, les scientifiques peuvent imaginer utiliser ces guides d’ondes pour réaliser des capteurs à l’échelle microscopique.

« Par exemple, disons que vous aviez un échantillon de liquide et que vous vouliez détecter si une molécule particulière était présente », a expliqué Park. « Vous pourriez le concevoir de manière à ce que ce guide d’onde traverse l’échantillon, et la présence de cette molécule modifierait le comportement de la lumière. »

Les scientifiques souhaitent également construire des circuits photoniques très fins qui pourraient être empilés pour intégrer de nombreux autres petits dispositifs dans la même zone de puce. Le cristal de verre utilisé dans ces expériences était du bisulfure de molybdène, mais les principes devraient fonctionner pour d’autres matériaux.

Même si les théoriciens avaient prédit que ce comportement devrait exister, le réaliser en laboratoire a nécessité des années de voyage, ont déclaré les scientifiques.

« C’était un problème vraiment difficile mais satisfaisant car nous entrions dans un domaine complètement nouveau. Nous avons donc dû concevoir nous-mêmes tout ce dont nous avions besoin, de la culture du matériau à la mesure du déplacement de la lumière », a déclaré Hanyu Hong, étudiant diplômé, co-premier auteur de l’article.

Myungjae Lee (anciennement chercheur postdoctoral à l’UChicago, aujourd’hui professeur à l’Université nationale de Séoul) était l’autre premier co-auteur de l’article. Le chercheur postdoctoral Jaehyung Yu, Fauzia Mujid (PhD’22, maintenant à Ecolab) et les étudiants diplômés Andrew Ye et Ce Liang sont également les auteurs de l’article.

Les scientifiques ont utilisé le Université de Chicago Centre de recherche sur les sciences et l’ingénierie des matériaux, les installations de fabrication de l’installation de nanofabrication Pritzker et le Centre Cornell pour la recherche sur les matériaux.

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