La lumière laser montre la structure à nanomotifs d'un métamatériau chiral développé par des chercheurs de la School of Electrical and Computer Engineering du Georgia Institute of Technology. Crédit :Rob Felt, Géorgie Tech
Les chercheurs du Georgia Institute of Technology ont démontré un métamatériau optique dont les propriétés chiroptiques dans le régime non linéaire produisent un décalage spectral significatif avec des niveaux de puissance de l'ordre du milliwatt.
Les chercheurs ont récemment démontré les propriétés de leur métamatériau chiral, dans lequel ils ont modifié spectralement deux résonances absorbantes en exposant progressivement le matériau à des intensités de puissance au-delà de son régime optique linéaire. Avec une variation de 15 milliwatts de la puissance d'excitation, ils ont mesuré un décalage spectral de 10 nanomètres dans les résonances de transmission du matériau et une rotation de polarisation de 14 degrés.
Les chercheurs pensent qu'il pourrait s'agir de la rotation optique non linéaire la plus forte jamais signalée pour un métamatériau chiral, et est environ cent mille fois plus grande que la mesure record actuelle pour ce type de structure. La recherche, soutenu par la National Science Foundation et l'Air Force Research Laboratory, a été rapporté le 27 février dans le journal Communication Nature .
"Les structures chirales à l'échelle nanométrique offrent une approche pour moduler les signaux optiques avec des variations relativement faibles de la puissance d'entrée, " a déclaré Sean Rodrigues, un doctorat candidat qui a dirigé les recherches dans le laboratoire du professeur agrégé Wenshan Cai à la Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering. « Voir ce type de changement dans un matériau aussi mince fait des métamatériaux chiroptiques une nouvelle plate-forme intéressante pour la modulation de signal optique. »
Cette modulation des réponses chiroptiques des métamatériaux en manipulant la puissance d'entrée offre le potentiel pour de nouveaux types d'optiques actives telles que la commutation tout optique et la modulation de la lumière. Les technologies pourraient avoir des applications dans des domaines tels que le traitement des données, détection et communication.
Sean Rodrigues, un doctorat candidat à la Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering, ajuste un échantillon d'un métamatériau chiral dont les propriétés dans le régime non linéaire produisent un décalage spectral significatif avec des niveaux de puissance de l'ordre du milliwatt. Crédit :Rob Felt, Géorgie Tech
Les matériaux chiraux présentent des propriétés optiques qui diffèrent selon leurs polarisations circulaires opposées. Les différences entre ces réponses, qui sont créés par la structuration à l'échelle nanométrique de matériaux absorbants, peut être utilisé pour créer de grandes résonances chiroptiques. Pour être utile dans des applications telles que la commutation tout optique, ces résonances devraient être induites par un accord externe - comme des variations de la puissance d'entrée.
"Quand vous augmentez la puissance, tu déplaces le spectre, " dit Rodrigues. " En effet, vous modifiez la transmission à certaines longueurs d'onde, ce qui signifie que vous modifiez la quantité de lumière traversant l'échantillon en modifiant simplement la puissance d'entrée. » Pour les ingénieurs optiques, cela pourrait être la base d'un changement.
Le matériau démontré par le laboratoire de Cai est fabriqué par des couches d'argent nano-structurées - d'environ 33 nanomètres d'épaisseur - sur des substrats de verre. Entre les couches d'argent soigneusement conçues se trouve une couche de 45 nanomètres de matériau diélectrique. Un motif elliptique est créé par lithographie par faisceau d'électrons, puis toute la structure est encapsulée dans un matériau diélectrique pour empêcher l'oxydation.
"C'est l'ingénierie de ces structures qui nous donne ces propriétés optiques chirales, " a expliqué Rodrigues. " Le but est vraiment de profiter de l'écart entre une polarisation circulaire par rapport à l'autre pour créer les résonances à large bande dont nous avons besoin. "
Le matériau fonctionne dans le spectre visible à proche infrarouge, à environ 740 à 1, 000 nanomètres. Les mesures de rotation optique et de dichroïsme circulaire ont été prises avec le faisceau entrant dans le matériau à un angle d'incidence normal.
Sean Rodrigues, un doctorat candidat à la Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering, est montré avec l'équipement utilisé pour étudier un métamatériau chiral dont les propriétés dans le régime non linéaire produisent un décalage spectral significatif avec des niveaux de puissance de l'ordre du milliwatt. Crédit :Rob Felt, Géorgie Tech
Les chercheurs ont induit le changement de dichroïsme circulaire en augmentant la puissance optique appliquée au matériau de 0,5 milliwatt à 15 milliwatts. Bien qu'il s'agisse d'une puissance relativement faible pour un système laser, il a un flux d'énergie suffisamment élevé (transfert d'énergie dans le temps) pour provoquer le changement.
"La taille du faisceau est d'environ 40 microns, donc c'est vraiment concentré, " a déclaré Rodrigues. " Nous mettons beaucoup d'énergie dans un petit domaine, ce qui rend l'effet assez intense."
Les chercheurs ne savent pas encore ce qui provoque le changement, mais soupçonnent que les processus thermiques peuvent être impliqués dans la modification des propriétés du matériau pour renforcer le dichroïsme circulaire. Les tests montrent que les applications de puissance n'endommagent pas le métamatériau.
Le laboratoire de Cai a étudié des matériaux chiraux de différents types pour une variété d'applications optiques. En juin 2015, ils ont rapporté la réalisation de l'une des prédictions théoriques de longue date dans les métamatériaux optiques non linéaires :la création d'un matériau non linéaire qui a des indices de réfraction opposés aux fréquences fondamentales et harmoniques de la lumière. Un tel matériau, qui n'existe pas naturellement, était prévue depuis près d'une décennie.
