Les atomes et les molécules peuvent être amenés à émettre des photons. Cependant, sans intervention extérieure, ce processus est inefficace et non dirigé. S'il était possible d'influencer le processus de création de photons en termes d'efficacité et de direction d'émission, de nouvelles possibilités techniques seraient possibles, y compris minuscule, des pixels lumineux multifonctionnels qui pourraient être utilisés pour construire des écrans tridimensionnels ou des sources monophotoniques fiables pour les ordinateurs quantiques ou les microscopes optiques pour cartographier des molécules individuelles.

Les « antennes optiques » de taille nanométrique sont une approche bien connue. Ils sont capables d'envoyer des photons dans une direction spécifique avec une grande efficacité. L'idée remonte au lauréat du prix Nobel Richard P. Feynman qui a imaginé des antennes à l'échelle nanométrique lors d'un discours au California Institute of Technology en 1959.

Feynman était en avance sur son temps, mais il a inspiré le développement rapide de la nanotechnologie, qui permet aujourd'hui de construire des antennes pour la lumière visible. Les dimensions et les détails structurels de telles antennes peuvent être contrôlés avec précision à une taille d'environ 250 nanomètres.

Les déficits des antennes lumineuses existantes

La forme de ces antennes optiques a déjà été inspirée par des modèles établis de la communication radio et de la technologie radio, qui sont généralement constitués de fils métalliques de forme spéciale et de réseaux de tiges métalliques pour des longueurs d'onde de l'ordre du centimètre. Il est possible de construire des antennes pour les ondes lumineuses en utilisant des nanotiges métalliques pour influencer la création et la propagation des photons, mais l'analogie entre les ondes radio et les ondes lumineuses est limitée.

Alors que les antennes radio macroscopiques ont un générateur haute fréquence connecté à l'antenne via un câble, le lien à l'échelle nanométrique d'une longueur d'onde lumineuse doit être sans contact. Mais les atomes et les molécules qui agissent comme sources de photons ne disposent pas de câbles de connexion pour les connecter à une antenne optique.

C'est cette différence majeure, combiné avec un certain nombre d'autres défis causés par la haute fréquence de la lumière, cela a rendu difficile jusqu'à présent la production et le contrôle ultérieur de photons avec des antennes optiques de manière satisfaisante.

Physiciens de Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg en Bavière, Allemagne, ont maintenant résolu ce problème et établi un ensemble de règles pour des antennes optiques optimisées, qui ont été publiés dans Lettres d'examen physique .

Les nouvelles règles pourraient aboutir à des antennes pour la lumière permettant un contrôle précis de l'émission de photons et de la propagation ultérieure, au moins théoriquement, selon Thorsten Feichtner, chercheur à l'Institut de physique de JMU dans l'équipe du professeur Bert Hecht.

Le principe des nouvelles antennes

"L'idée derrière cela est basée sur le principe de similitude, " explique le physicien de Würzburg. " Ce qui est nouveau dans nos recherches, c'est que les courants des électrons libres dans l'antenne doivent remplir deux conditions de similarité en même temps. Premièrement, le diagramme de courant dans l'antenne doit être similaire aux lignes de champ à proximité directe d'un atome ou d'une molécule émettant de la lumière. Deuxièmement, le modèle de courant doit également correspondre le mieux possible au champ électrique homogène d'une onde plane afin que chaque photon puisse atteindre un récepteur distant."

Les nouvelles antennes pour la lumière construites à l'aide de ces nouvelles règles extraient beaucoup plus de photons d'un émetteur que les types d'antennes précédents dérivés de la technologie radio.