Des ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont mis au point un matériau qui pourrait réduire les pertes de signal dans les dispositifs photoniques. L'avancée a le potentiel d'augmenter l'efficacité de diverses technologies basées sur la lumière, y compris les systèmes de communication à fibre optique, laser et photovoltaïque.

La découverte aborde l'un des plus grands défis dans le domaine de la photonique :minimiser la perte de signaux optiques (basés sur la lumière) dans des dispositifs connus sous le nom de métamatériaux plasmoniques.

Les métamatériaux plasmoniques sont des matériaux conçus à l'échelle nanométrique pour contrôler la lumière de manière inhabituelle. Ils peuvent être utilisés pour développer des dispositifs exotiques allant des capes d'invisibilité aux ordinateurs quantiques. Mais un problème avec les métamatériaux est qu'ils contiennent généralement des métaux qui absorbent l'énergie de la lumière et la convertissent en chaleur. Par conséquent, une partie du signal optique est gaspillée, diminuant l'efficacité.

Dans une étude récente publiée dans Communication Nature , une équipe de chercheurs en photonique dirigée par le professeur de génie électrique Shaya Fainman à la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego a démontré un moyen de compenser ces pertes en incorporant dans le métamatériau quelque chose qui émet de la lumière, un semi-conducteur.

"Nous compensons la perte introduite par le métal avec le gain du semi-conducteur. Cette combinaison pourrait théoriquement entraîner une absorption nette nulle du signal - un métamatériau "sans perte", " dit Joseph Smalley, un chercheur postdoctoral en génie électrique dans le groupe de Fainman et le premier auteur de l'étude.

Dans leurs expériences, les chercheurs ont projeté la lumière d'un laser infrarouge sur le métamatériau. Ils ont découvert que selon la manière dont la lumière est polarisée, dans quel plan ou dans quelle direction (haut et bas, côte à côte) toutes les ondes lumineuses sont réglées pour vibrer - le métamatériau réfléchit ou émet de la lumière.

"C'est le premier matériau qui se comporte simultanément comme un métal et un semi-conducteur. Si la lumière est polarisée dans un sens, le métamatériau réfléchit la lumière comme un métal, et quand la lumière est polarisée dans l'autre sens, le métamatériau absorbe et émet de la lumière d'une « couleur » différente comme un semi-conducteur, " dit Smalley.

Les chercheurs ont créé le nouveau métamatériau en faisant d'abord croître un cristal du matériau semi-conducteur, appelé phosphure d'arséniure d'indium et de gallium, sur un substrat. Ils ont ensuite utilisé des ions à haute énergie du plasma pour graver des tranchées étroites dans le semi-conducteur, créant des rangées de semi-conducteurs de 40 nanomètres de large espacées de 40 nanomètres. Finalement, ils ont rempli les tranchées d'argent pour créer un motif alterné de bandes nanométriques de semi-conducteur et d'argent.

"C'est une façon unique de fabriquer ce genre de métamatériau, " a déclaré Smalley. Les nanostructures avec des couches différentes sont souvent fabriquées en déposant chaque couche séparément l'une sur l'autre, "comme une pile de papiers sur un bureau, " Smalley a expliqué. Mais le matériau semi-conducteur utilisé dans cette étude (le phosphure d'arséniure d'indium et de gallium) ne peut pas simplement être cultivé sur n'importe quel substrat (comme l'argent), sinon il aura des défauts. "Plutôt que de créer une pile de couches alternées, nous avons trouvé un moyen d'arranger les matériaux côte à côte, comme des dossiers dans un classeur, en gardant le matériau semi-conducteur sans défaut."

Comme prochaine étape, l'équipe prévoit d'étudier dans quelle mesure ce métamatériau et d'autres versions de celui-ci pourraient améliorer les applications photoniques qui souffrent actuellement de pertes de signal.