Un collage d'images montrant des ailes de papillon à différents grossissements. Crédit :Wikimedia Commons
Les ailes d'un papillon et les plumes d'un paon utilisent une architecture à l'échelle nanométrique pour plier la lumière et produire des couleurs brillantes sans pigments ni colorants, et les scientifiques ont essayé d'imiter la conception de la nature.
Maintenant, scientifiques de la société de technologie de réalité mixte Magic Leap Inc., travailler avec des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie, ont développé de nouveaux, des moyens polyvalents de contrôler et d'améliorer les propriétés de flexion de la lumière des nanostructures optiques synthétiques. La technologie de Magic Leap crée des visualisations qui permettent aux images virtuelles de coexister et d'interagir avec l'environnement réel du spectateur en temps réel.
L'exploit des chercheurs, signalé dans Rapports scientifiques , permet la manipulation de la lumière sur de grands angles, et à travers le spectre de la lumière visible, d'une manière très efficace. Au cœur de leur travail se trouve une méthode permettant de créer deux types de composants à base de silicium, composants optiques ultrafins.
« Nous sommes maintenant en mesure de créer des surfaces de silicium qui peuvent absorber la lumière à partir d'un grand nombre d'angles d'entrée et de longueurs d'onde avec une perte minimale d'efficacité de diffraction, " a déclaré Stefano Cabrini, directeur de l'installation de nanofabrication à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, spécialisée dans les outils et techniques de R&D à l'échelle nanométrique.
"La flexibilité d'entrée et le degré de contrôle que ces nanostructures ont sur le faisceau de sortie n'ont jamais été vus auparavant, " a déclaré Cabrini.
Images au microscope électronique à balayage de la métasurface en mode de transmission développée à la Fonderie Moléculaire. La barre d'échelle pour l'image de gauche est de 2 microns et de 200 nanomètres pour les images de droite. Crédit :Berkeley Lab
De nombreux dispositifs optiques existants sont également conçus pour contrôler et manipuler la lumière pour la détection, imagerie, et communication, par exemple, mais leurs composants peuvent être encombrants et coûteux, tels que ceux utilisés dans certains appareils d'imagerie médicale et appareils photo reflex numériques.
La réduction de ces outils à l'échelle nanométrique pourrait inaugurer une nouvelle génération d'appareils abordables dotés de fonctionnalités avancées pour les télécommunications, Médicament, et les produits de consommation. La liste des applications potentielles comprend des surfaces "intelligentes" qui peuvent repousser l'eau, traitement ultrarapide des données, hologrammes, et même des capes "d'invisibilité" qui peuvent dissimuler des objets en manipulant la lumière.
La nouvelle technologie repose sur des "métasurfaces optiques, " qui sont des structures bidimensionnelles conçues pour interagir avec les ondes lumineuses d'une manière que les matériaux naturels ne peuvent pas. Les matériaux peuvent avoir des couches de quelques milliardièmes de mètre (nanomètres) d'épaisseur, et contiennent des antennes optiques à l'échelle nanométrique qui peuvent contrôler la réflexion ou la transmission de la lumière. Leur nature ultrafine les rend faciles à intégrer dans une variété de systèmes.
Revêtements antireflet, tels que ceux utilisés sur les verres de lunettes pour réduire l'éblouissement, fournissent un exemple simple de métasurfaces optiques. Beaucoup de ces revêtements de lentilles sont constitués de structures transparentes ultrafines (mesurées en centaines de nanomètres) dont la disposition contrôle la réflexion de la lumière entrant dans la lentille.
L'équipe de recherche de Magic Leap a créé les nouvelles métasurfaces en s'associant à des experts en nanofabrication de la Molecular Foundry. Ils ont sculpté un motif de nanofaisceaux de silicium à l'aide d'un faisceau d'électrons focalisé, puis ont transféré le dessin sur une couche ultrafine de silicium, seulement environ 20 à 120 nanomètres d'épaisseur. Ces nanofaisceaux ont été agencés pour contrôler soit la transmission, soit la réflexion de la lumière.
Schémas des métasurfaces développées à la Fonderie Moléculaire. L'image de gauche montre des paires répétées de nanofaisceaux de silicium, avec un faisceau mesurant 30 nanomètres et l'autre dans la paire mesurant 55 nanomètres de diamètre. L'image de droite montre une autre couche d'espacement en matériau PMMA (acrylique) de métasurface entre des paires de nanopoutres et une couche métallique. Crédit :Berkeley Lab
Ces métasurfaces sont un exemple miniaturisé de réseaux de diffraction, qui ont des surfaces rainurées qui peuvent fendre et plier la lumière, et fonctionnent de la même manière qu'un prisme divise un faisceau de lumière en un arc-en-ciel. Les rainures peuvent être agencées pour concentrer la lumière diffractée dans un ordre particulier pour une longueur d'onde donnée, créer des motifs spécifiques.
Les conceptions précédentes de métasurfaces capables de contrôler des faisceaux de lumière ultracompacts ont été fonctionnelles, mais limité. Ces structures ont tendance à ne courber la lumière que vers des angles étroits, car l'augmentation de l'angle rend les appareils inefficaces.
Les conceptions plus anciennes étaient également limitées par l'angle d'entrée et la longueur d'onde de la lumière. La lumière entrante devait pénétrer dans la surface à un angle de 90 degrés pour éviter une baisse d'efficacité et était limitée aux longueurs d'onde du spectre infrarouge pour éviter les problèmes d'absorption de la lumière, les deux peuvent rendre les appareils peu fiables ou défectueux.
Les nanofaisceaux qui composent chacune des nouvelles conceptions ont été soigneusement conçus pour orienter la lumière lorsqu'elle traverse ou se réfléchit sur la surface. La taille des nanofaisceaux et l'espacement entre eux contrôlent les propriétés de la lumière sortante.
En fabriquant les métasurfaces en silicium, les chercheurs ont pu profiter de la technologie de fabrication largement disponible pour ce matériau, ce qui permet à leur travail d'être plus facilement étendu à la production de masse.
