Une nouvelle technique développée par des chercheurs du MIT révèle les détails internes des cristaux photoniques, des matériaux synthétiques dont les propriétés optiques exotiques font l'objet de nombreuses recherches.

Les cristaux photoniques sont généralement fabriqués en perçant des millions de cristaux minuscules trous dans une plaque de matériau transparent, en utilisant des variantes de méthodes de fabrication de micropuces. Selon l'orientation exacte, Taille, et l'espacement de ces trous, ces matériaux peuvent présenter une variété de propriétés optiques particulières, y compris "superlentille, " qui permet un grossissement qui dépasse les limites théoriques normales, et "réfraction négative, " dans laquelle la lumière est courbée dans une direction opposée à son chemin à travers des matériaux transparents normaux.

Mais comprendre exactement comment la lumière de différentes couleurs et provenant de différentes directions se déplace à travers les cristaux photoniques nécessite des calculs extrêmement complexes. Les chercheurs utilisent souvent des approches très simplifiées; par exemple, ils peuvent uniquement calculer le comportement de la lumière dans une seule direction ou pour une seule couleur.

Au lieu, la nouvelle technique rend la gamme complète d'informations directement visible. Les chercheurs peuvent utiliser une configuration de laboratoire simple pour afficher les informations - un modèle de "contours iso-fréquences" - sous une forme graphique qui peut être simplement photographiée et examinée, dans de nombreux cas, éliminant le besoin de calculs. La méthode est décrite cette semaine dans le journal Avancées scientifiques , dans un article du postdoctorant du MIT Bo Zhen, Emma Regan, récemment diplômée du Wellesley College et affiliée au MIT, les professeurs de physique du MIT Marin Soljacic et John Joannopoulos, et quatre autres.

La découverte de cette nouvelle technique, Zhen explique, est né en examinant de près un phénomène que les chercheurs avaient remarqué et même utilisé pendant des années, mais dont ils n'avaient pas encore compris les origines. Des motifs de lumière diffusée semblaient se déployer à partir d'échantillons de matériaux photoniques lorsque les échantillons étaient illuminés par une lumière laser. La dispersion était surprenante, puisque la structure cristalline sous-jacente a été fabriquée pour être presque parfaite dans ces matériaux.

« Quand nous essayions de faire une mesure laser, nous verrions toujours ce modèle, " dit Zhen. " Nous avons vu cette forme, mais nous ne savions pas ce qui se passait." Mais cela les a aidés à aligner correctement leur configuration expérimentale, car le motif de lumière diffusée apparaîtrait dès que le faisceau laser était correctement aligné avec le cristal. Après une analyse minutieuse, ils ont réalisé que les motifs de diffusion étaient générés par de minuscules défauts dans le cristal - des trous qui n'étaient pas parfaitement ronds ou qui étaient légèrement effilés d'un bout à l'autre.

"Il y a un désordre de fabrication même dans les meilleurs échantillons qui peuvent être faits, " dit Regan. " Les gens pensent que la diffusion serait très faible, parce que l'échantillon est presque parfait, " mais il s'avère qu'à certains angles et fréquences, la lumière diffuse très fortement; jusqu'à 50 pour cent de la lumière entrante peut être dispersée. En éclairant tour à tour l'échantillon avec une séquence de couleurs différentes, il est possible de créer un affichage complet des chemins relatifs des faisceaux lumineux, tout le spectre visible. La lumière diffusée produit une vue directe des contours isofréquences, une sorte de carte topographique de la façon dont les faisceaux lumineux de différentes couleurs se courbent lorsqu'ils traversent le cristal photonique.

"C'est une très belle, manière très directe d'observer les contours iso-fréquences, " dit Soljacic. " Vous venez de faire briller la lumière sur l'échantillon, avec la bonne direction et la bonne fréquence, " et ce qui en sort est une image directe de l'information nécessaire, il dit.

La découverte pourrait potentiellement être utile pour un certain nombre d'applications différentes, dit l'équipe. Par exemple, cela pourrait conduire à un moyen de faire grand, écrans d'affichage transparents, où la plupart de la lumière passerait directement à travers comme à travers une fenêtre, mais la lumière de fréquences spécifiques serait diffusée pour produire une image claire sur l'écran. Ou, la méthode pourrait être utilisée pour faire des affichages privés qui ne seraient visibles que par la personne directement devant l'écran.

Parce qu'il repose sur des imperfections dans la fabrication du cristal, cette méthode pourrait également être utilisée comme mesure de contrôle de la qualité pour la fabrication de ces matériaux; les images fournissent une indication non seulement du nombre total d'imperfections, mais aussi leur spécificité, c'est-à-dire si le trouble dominant dans l'échantillon provient de trous non circulaires ou de gravures qui ne sont pas droites, afin que le processus puisse être ajusté et amélioré.

L'équipe comprenait également des chercheurs du MIT Research Laboratory of Electronics, dont Yuichi Igarashi (maintenant chez NEC Corporation au Japon), Ido Kaminer, Chia Wei Hsu (maintenant à l'Université de Yale), et Yichen Shen. Le travail a été soutenu par l'Army Research Office par l'intermédiaire de l'Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT, et par le département américain de l'Énergie via S3TEC, un centre de frontière énergétique.