Comparaison entre les lentilles conventionnelles et les métalenses pour le rayonnement térahertz (THz). Les metalenses sont ultrafins (environ 25 micromètres d'épaisseur) et également très plats par rapport aux conventionnels. Crédit : Institut des sciences fondamentales
En quête de miniaturisation, scientifiques du Centre de physique intégrée des nanostructures, au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS, Corée du Sud), en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Birmingham et du Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), développer l'épaisseur d'une carte de crédit, lentilles plates avec fonctions réglables. Ces dispositifs optiques, composé de graphène et d'une surface d'or perforée, pourraient devenir des composants optiques pour des applications avancées, tels que les lentilles accordables en amplitude, les lasers (c'est-à-dire les plaques de phase vortex), et l'holographie dynamique.
Les métasurfaces sont de nouveaux matériaux 2D qui peuvent contrôler efficacement les composants électriques et magnétiques de la lumière (et d'autres ondes électromagnétiques) et les plier dans des directions sur mesure. Le contrôle de la direction du faisceau peut faire ressortir des phénomènes intéressants; le plus incroyable étant "l'effet cape d'invisibilité", où les ondes lumineuses contournent un objet recréant l'image au-delà de l'objet, comme l'eau qui coule dans une rivière contournerait une pierre.
Publié dans Matériaux optiques avancés , l'étude présente les propriétés d'une métasurface qui fonctionne comme une lentille convexe. Spécifiquement, il est constitué d'une feuille d'or percée de trous micrométriques en forme de U et recouverte de graphène. Comme la forme des lentilles convexes courantes permet à la lumière d'être concentrée sur un point (ou foyer), pensez à une loupe qui peut concentrer un faisceau lumineux et même allumer un feu, ainsi, le motif particulier des minuscules ouvertures des métalenses fonctionne en focalisant le faisceau entrant.
En outre, ces microtrous peuvent également modifier la polarisation de la lumière. Alors que la lumière naturelle est généralement non polarisée avant d'être réfléchie, l'équipe a utilisé des ondes polarisées circulairement, c'est un faisceau lumineux où la direction du champ électrique est en spirale en tire-bouchon. Ce métalens peut convertir l'onde de polarisation circulaire gauche (allant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre si elle est vue droit devant) en polarisation circulaire droite (dans le sens des aiguilles d'une montre). Les chercheurs ont réussi à obtenir un taux de conversion de 35 %. La conversion de la polarisation circulaire pourrait être utile dans un certain nombre de domaines, par exemple la biodétection et les télécommunications.
Caractéristiques de Metalenses. a) Les métalenses sont constituées d'une feuille de graphène d'épaisseur atomique et d'une surface mince en or avec de minuscules trous en forme de U. b) L'appareil peut convertir la polarisation circulaire de l'onde hertz de gauche à droite. De plus, en faisant tourner le motif des trous, le faisceau (ou la vague) peut être plié à l'angle désiré. Crédit : Institut des sciences fondamentales
Afin de contrôler encore plus de propriétés, les scientifiques ont profité des caractéristiques électroniques uniques du graphène et les ont utilisées pour régler l'intensité ou l'amplitude du faisceau de sortie. Ici, le graphène joue le rôle de l'exposition d'un appareil photo. Dans le cas de la caméra, une commande mécanique permet à un certain temps d'ouverture et à une certaine taille d'obturateur de déterminer la quantité de lumière entrant dans l'instrument. Ces métalenses à la place, réguler l'exposition via une tension électrique appliquée sur la feuille de graphène, sans avoir besoin de composants encombrants. Lorsque la tension est appliquée à la couche de graphène, le faisceau de sortie devient plus faible. "En utilisant des métalenses, tu peux faire des microscopes, appareils photo, et des outils utilisés dans les mesures optiques très sensibles, beaucoup plus compact, " dit Teun-Teun Kim.
Les métalenses ont été conçues pour un type d'onde électromagnétique, qui se situe entre le rayonnement infrarouge et le rayonnement micro-ondes, appelé rayonnement térahertz. Ce type de rayonnement peut traverser certains matériaux (comme les tissus et les plastiques), mais à une profondeur plus courte que le rayonnement micro-ondes, pour cette raison, il est utilisé pour la surveillance et le contrôle de sécurité.
"Alors que les lentilles optiques classiques ont une épaisseur de quelques centimètres à plusieurs millimètres, ce métal n'a que quelques dizaines de micromètres d'épaisseur. L'intensité de la lumière focalisée peut être contrôlée efficacement et elle pourrait trouver des applications utiles dans les instruments optiques ultra-petits, " dit Teun-Teun Kim.
La fonction du motif en forme de U et du graphène est de concentrer la direction du faisceau et de moduler l'intensité du signal. Différents motifs de trous en forme de U sur la métasurface créent une sortie de faisceau rayé (a) et focalisé (b). En b) le faisceau est concentré sur une petite zone (point rouge), de la même manière qu'une loupe focalise la lumière sur un point précis. De plus, en appliquant une tension déclenchée (2,2 V) sur le graphène, l'intensité du faisceau de sortie devient plus faible. La fonction graphène pourrait être comparée à l'exposition d'un appareil photo. Crédit : Institut des sciences fondamentales
