Igal Brener, chercheurs des Laboratoires nationaux Sandia, droit, Sheng Liu, centre, et Mike Sinclair se tiennent dans le laboratoire où des travaux ont été effectués pour créer des métamatériaux sur des substrats. Liu présente une version ici. Crédit :par Randy Montoya
Les métamatériaux n'existent pas dans la nature, mais leur capacité à fabriquer des lentilles ultra-fines et des antennes de téléphone portable ultra-efficaces, courber la lumière pour garder les satellites plus frais et laisser le photovoltaïque absorber plus d'énergie signifie qu'ils offrent un monde de possibilités.
Formé par des nanostructures qui agissent comme des "atomes, " disposé sur un substrat pour modifier le chemin de la lumière d'une manière qu'aucun matériau ordinaire ne peut réaliser, ces substances de substitution peuvent manipuler un faisceau lumineux entrant pour permettre la création de versions plus efficaces de l'omniprésence, appareils de valeur :filtres optiques, laser, convertisseurs de fréquence et dispositifs qui orientent les faisceaux, par exemple.
Mais l'utilisation commerciale extensive de métamatériaux a été restreinte par les limitations imposées par les matériaux qui les composent. Les métamatériaux à base de métal sont "à perte" (perdent de l'énergie) à des longueurs d'onde plus courtes et ne peuvent fonctionner efficacement qu'à de basses fréquences, telles que les fréquences radio utilisées par le radar, avant d'être submergés par leur propre absorption. Le silicium n'émet pas de lumière et ne peut la transmettre que dans une plage de longueurs d'onde limitée en raison de sa plage de travail étroite (bandgap). Ainsi, aucune classe de matériau ne peut créer un métamatériau qui fonctionnera dans les gammes infrarouge et optique, où la plupart des applications militaires et commerciales auraient lieu.
Les métamatériaux optiques entrent dans l'arène
Les chercheurs de Sandia National Laboratories aident à ouvrir la voie à l'utilisation de semi-conducteurs III-V comme éléments constitutifs des métamatériaux. (III-V fait référence aux éléments de ces colonnes du tableau périodique.) Les chercheurs de Sandia ont publié des articles techniques, dont trois l'année dernière, sur des travaux comportant des matériaux comme l'arséniure de gallium et l'arséniure d'aluminium, qui sont plus efficaces que les métaux pour les applications de métamatériaux optiques, avec des plages de bande interdite plus larges que le silicium. Le travail est suffisamment prometteur pour avoir fait la couverture de deux revues techniques.
"Il y a très peu de travaux dans le monde sur les métamatériaux tout diélectriques utilisant des semi-conducteurs III-V, " a déclaré le chercheur de Sandia Igal Brener, qui dirige le travail de Sandia avec les chercheurs Mike Sinclair et Sheng Liu. "Notre avantage est le vaste accès de Sandia à la technologie III-V, à la fois en croissance et en transformation, donc on peut avancer assez vite."
Plus brillant que l'or
Les nouveaux matériaux diélectriques Sandia, une sorte d'isolant électrique, offrent bien plus qu'une simple efficacité. Ils perdent peu d'énergie entrante et peuvent même être fabriqués en plusieurs couches pour former des complexes, des méta-atomes tridimensionnels qui réfléchissent plus de lumière que les surfaces dorées brillantes, généralement considéré comme le nec plus ultra en matière de réflectivité infrarouge. Les matériaux III-V émettent également des photons lorsqu'ils sont excités, quelque chose que le silicium, qui peut refléter, transmettre et absorber—ne peut pas faire.
La métasurface à symétrie brisée des résonateurs cuboïdes montre une onde lumineuse entrante spectralement large. (Le graphique du haut montre un large spectre.) Après avoir traversé la métasurface, le faisceau devient spectralement étroit en raison des résonances aiguës de la métasurface à symétrie brisée. (Le graphique du bas montre un spectre étroit.) Le motif tourbillonnant des flèches représente la distribution du champ électrique de la lumière piégée dans les résonateurs. Crédit :Laboratoires nationaux Sandia
Un autre avantage est leurs sorties très variables, à travers le spectre de couleurs afin qu'ils puissent être utilisés pour étendre la gamme de longueurs d'onde des lasers ou pour générer des "photons intriqués" pour l'informatique quantique.
L'approche de Sandia est également attrayante pour sa méthode relativement simple de formation des atomes artificiels, connu sous le nom de résonateurs, qui sont les entrailles du métamatériau.
Créé sous la direction de Liu, les méta-atomes mesurent quelques centaines de nanomètres de diamètre et sont constitués de nombreux atomes réels. L'une des améliorations de Liu a été d'oxyder ces minuscules groupements autour de leurs périmètres pour créer des revêtements en couches avec un faible indice de réfraction, plutôt que d'utiliser un plus cher, processus de liaison "flip-chip" fastidieux. La complexité des méthodes précédentes était un obstacle à l'efficacité en termes de coût et de temps. D'autres chercheurs de Sandia avaient déjà utilisé une variante de sa simplification pour fabriquer des lasers, mais pas les métamatériaux, il a dit.
L'oxydé, la surface à bas indice entoure le noyau à haut indice "comme en hiver, tu as un manteau qui t'entoure, " dit Liu. " Pour confiner la lumière, vous avez besoin d'un contraste d'indice de réfraction élevé." En d'autres termes, la lumière intérieure heurtant la surface d'oxyde à faible indice est repoussée par la différence de réfraction de sorte qu'elle se déplace le long du noyau à indice élevé.
Le collègue de Liu à Sandia, Gordon Keeler, a obtenu une oxydation contrôlée simplement en plaçant des matériaux III-V dans un four chaud et en faisant couler de la vapeur d'eau sur l'échantillon. "Il va s'oxyder à un certain taux, " dit Liu. " Plus il y a de matériel, plus ça prend de temps."
Les méta-atomes artificiels sont sculptés sur place au cours d'un processus lithographique qui permet aux chercheurs de créer n'importe quel motif de leur choix pour le placement des composants du métamatériau. "Nous utilisons des simulations pour nous diriger, " a déclaré Liu. L'espacement est déterminé dans une certaine mesure par la taille des atomes artificiels.
Les nanostructures cubiques fracturées stockent des quantités inhabituellement importantes d'énergie
Les chercheurs ont expérimenté des nanostructures cylindriques et cubiques, réduire la symétrie de ces derniers pour obtenir des propriétés encore meilleures.
Cette métasurface III-V à trois résonateurs d'épaisseur de résonateurs cylindriques illustre trois utilisations possibles :Le faisceau lumineux gauche change de couleur au fur et à mesure qu'il traverse les métasurfaces, ce qui signifie qu'une génération d'harmoniques non linéaires a lieu et convertit le faisceau lumineux en une longueur d'onde plus courte. La trace bleue au milieu montre un train d'impulsions traversant la surface. Au passage, la largeur d'impulsion diminue en raison de la compression d'impulsion, ce qui nécessite que la phase de l'onde optique transmise varie avec la longueur d'onde. Les métasurfaces multicouches sont capables d'obtenir la variation de phase correcte, ce qui n'est pas possible avec les métasurfaces monocouches. Le faisceau de droite signifie que ces métasurfaces peuvent agir comme des émetteurs de lumière efficaces. Crédit :Laboratoires nationaux Sandia
« Les cylindres sont beaucoup plus faciles à fabriquer et peuvent généralement être utilisés pour les métasurfaces conventionnelles, " a déclaré Brener. "Mais les cubes à symétrie brisée sont essentiels pour obtenir des résonances très nettes. C'est la question clé du journal."
L'idée de réduire intentionnellement la symétrie d'une nanostructure de résonateur cubique est née il y a cinq ou six ans, dit Sinclair, avec une conception fortuite qui a brisé la forme intentionnellement symétrique des méta-atomes lorsque l'équipe a tenté d'imiter un défaut de fabrication particulier.
"Au cours d'un Grand Challenge Métamatériaux de Recherche et Développement Dirigé en Laboratoire [LDRD], lorsque nous fabriquions pour la première fois des résonateurs cubiques dans notre effort pour voir si nous pouvions aller au-delà des micro-ondes dans les métamatériaux infrarouges et optiques, nous jouions avec la forme des résonateurs pour essayer de simuler l'effet des erreurs de lithographie. Dans une simulation, il nous est arrivé de couper un coin du cube et tout d'un coup des bandes de réflexion très nettes sont apparues, " a déclaré Sinclair.
Avant cette découverte, les métamatériaux des résonateurs diélectriques n'ont montré que de larges bandes qui ne piègent pas beaucoup d'énergie. Les chercheurs ont découvert que les nouvelles résonances aiguës permettaient un plus grand stockage d'énergie, bénéfique pour une conversion de fréquence efficace, et peut-être même pour l'émission de lumière et le laser.
L'exploration du résonateur serti a dû attendre un projet ultérieur, parrainé par le Bureau des sciences du ministère de l'Énergie. Salvatore Campione, s'appuyant sur les travaux antérieurs de Lorena Basilio, Larry Warne et William Langston, tous de Sandia, ont utilisé des simulations électromagnétiques pour découvrir précisément comment les cubes piègent la lumière. Willie Luk de Sandia a mesuré les propriétés réfléchissantes des cubes. Une autre subvention LDRD soutient actuellement la recherche sur le laser de métamatériaux.
"Nous pensons avoir créé une plate-forme assez flexible pour de nombreux types d'appareils différents, " a déclaré Sinclair.
Le travail en cours est aidé par John Reno de Sandia, connu au niveau national pour la croissance de structures cristallines extrêmement précises, qui a contribué les plaquettes III-V.
