La détection optique non invasive de la température est essentielle pour la surveillance à distance des processus de fabrication, dans les situations où l'échantillon doit être isolé de l'environnement, à des températures extrêmes ou changeant rapidement, et en présence de champs magnétiques forts et variables. Les capteurs optiques de température mesurent les décalages de fréquence des résonances optiques et nécessitent souvent de longs chemins optiques pour compenser les très petits coefficients thermo-optiques des matériaux.

Cependant, une phase de lumière est une variable cyclique, qui est indéfini au point d'interférence destructive complète, et varie rapidement au voisinage de ce point. Par exemple, un déphasage de l'onde plane réfléchie par une interface plane présente un comportement singulier à des fréquences où la réflectance de surface s'annule. Les caractéristiques spectrales asymétriques étroites de la réponse en phase du capteur à proximité de ces points singuliers sont très sensibles à tout changement environnemental et peuvent être utilisées pour améliorer la sensibilité des capteurs distants avec transduction optique.

Les métasurfaces plasmoniques peuvent être conçues pour atteindre la condition de phase singulière, pourtant, cela nécessite généralement une conception électromagnétique complexe et des techniques de fabrication à faible débit telles que la lithographie par faisceau d'électrons. Dans un nouvel ouvrage, une équipe internationale dirigée par un chercheur du MIT, le Dr Svetlana Boriskina, a développé une plate-forme de détection de phase singulière planaire simple et robuste pour la détection de température à distance, qui ne nécessite pas de nano-structuration et présente un comportement en phase singulière en raison de l'excitation d'états de surface de Tamm protégés topologiquement.

Les chercheurs ont conçu des états de Tamm sur des interfaces de matériaux planaires entre des films minces métalliques et diélectriques en utilisant le principe de correspondance limite-volume adopté de la physique des matériaux topologiques et l'approche d'adaptation d'impédance conjuguée empruntée à la théorie des antennes. Ils ont démontré une détection de température à phase singulière avec une amélioration de plus d'un ordre de grandeur de la sensibilité du capteur et une amélioration de plus de deux ordres de grandeur de la figure de mérite par rapport à l'approche standard de mesure des décalages des caractéristiques de résonance dans les spectres de réflectance du même capteur.

Les structures planaires qui supportent les états interfaciaux Tamm peuvent être fabriquées en utilisant une variété de matériaux, y compris celles compatibles avec les technologies standard à semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS). Les longueurs d'onde de résonance des capteurs Tamm sont hautement accordables, et ne dépendent pas directement de la fréquence plasma du matériau absorbant. Les capteurs se prêtent à une fabrication rapide et à grande échelle par pulvérisation ou par des techniques de dépôt en phase vapeur.

Contrairement aux capteurs plasmoniques à nano-motifs, les détecteurs planaires Tamm peuvent être utilisés dans des conditions environnementales difficiles, y compris l'atmosphère corrosive et les températures élevées, ce qui peut provoquer une dégradation sévère de la texture de surface nanostructurée. Bien que les absorbeurs Tamm développés n'aient été caractérisés que comme des capteurs de température, ils offrent un simple, plate-forme sensible et réglable pour une grande variété d'applications de détection, y compris la surveillance des événements de liaison bio/chimique de surface et la détection environnementale.

Les résultats de ce travail sont rapportés dans le ACS Photonique article « Ingénierie topologique des états de Tamm optiques interfaciaux pour une détection optique à phase quasi singulière très sensible. »