Les interactions entre la lumière et la matière sont une unité fondamentale de la physique moderne, mais récemment, les chercheurs ont commencé à regarder au-delà des interactions standard des manuels scolaires.

Alexandra Boltasseva est professeur de génie électrique et informatique à l'Université Purdue. Pendant des années, elle travaille avec des métamatériaux optiques (matériaux artificiels contenant des nanostructures qui leur confèrent des propriétés visuelles uniques) pour créer des nanopinces, métasurfaces et autres objets minuscules. Maintenant, elle explore un tout nouveau chapitre de la physique.

"Si nous regardons un manuel et qu'il y a un chapitre sur la façon dont la lumière interagit avec la matière, cela irait de la façon dont la lumière interagit avec les matériaux transparents à la façon dont la lumière interagit avec les matériaux réfléchissants, " dit Boltasseva. " Ce que nous allons étudier, c'est cette zone entre les deux types. "

Lorsque la lumière se propage à travers des matériaux transparents, la lumière ne change pas beaucoup, ce qui signifie qu'il a une permittivité diélectrique positive (également appelée epsilon). L'inverse est vrai pour les matériaux réfléchissants, qui expulsent la lumière et ont une permittivité négative (epsilon négatif). Entre positif et négatif est un exotique, région largement inexplorée appelée Epsilon-Near-Zero (ENZ).

Lorsque la lumière pénètre dans un milieu dont la permittivité est nulle, les observateurs verront la même lumière entrer et sortir. C'est presque comme si la lumière passait d'un côté à l'autre sans changer ses propriétés – un phénomène improbable en physique.

"Puisque zéro est si différent de plus et moins un, nous nous attendons à ce qu'il s'y passe beaucoup de choses intéressantes, " a déclaré Boltasseva. " Cela met en jeu une physique et des idées complètement nouvelles. "

Média ENZ conventionnel, comme le métal, ont des passages à zéro naturels mais subissent souvent une perte de matière (absorption de la lumière) à ce stade. Trouver un matériau qui a un passage par zéro mais ne permet pas l'absorption de la lumière sera difficile, dit Boltasseva.

L'équipe de recherche prévoit d'expérimenter à la fois des matériaux naturels et de nouveaux métamatériaux, bien que les matériaux naturels soient plus susceptibles de subir une absorption. L'ajout d'un milieu amplificateur de lumière pourrait contrecarrer l'absorption, mais ce serait un défi. Le groupe pense que les oxydes conducteurs transparents et les nitrures de métaux de transition (matériaux nouvellement développés qui ont un point ENZ naturel dans les gammes de longueur d'onde visible et proche infrarouge, ainsi que des propriétés optiques personnalisables) pourraient aider à résoudre ce problème.

Bien que Boltasseva pense que le plus grand impact de ce projet sera sur la science fondamentale, elle pense que cela conduira également à de nouvelles applications pour appareils.

"La modulation ultrarapide est l'un des gros problèmes de l'optique. Il y a toujours un compromis. Soit vous changez les choses très lentement à une grande amplitude, ou très rapide mais dans une petite plage. J'espère que nous pourrons briser ce cycle, ", a-t-elle déclaré. "Cela pourrait conduire à une variété de dispositifs optiques ultrarapides pour les technologies de la communication et de l'information."