Des chercheurs du CIC nanoGUNE (Saint-Sébastien, Espagne) et des collaborateurs ont signalé en Science le développement d'une métasurface dite hyperbolique sur laquelle la lumière se propage avec des fronts de plaque complètement remodelés. Cette réalisation scientifique vers un contrôle et une surveillance plus précis de la lumière est très intéressante pour la miniaturisation des dispositifs optiques de détection et de traitement du signal.

Les ondes optiques se propageant à partir d'une source ponctuelle présentent généralement des fronts d'onde circulaires (convexes). "Comme les vagues à la surface de l'eau lorsqu'une pierre tombe, " dit Peining Li, Boursier UE Marie Sklodowska-Curie à nanoGUNE et premier auteur de l'article. La raison de cette propagation circulaire est que le milieu traversé par la lumière est typiquement homogène et isotrope, c'est à dire., uniforme dans toutes les directions.

Les scientifiques avaient théoriquement prédit que des surfaces spécifiquement structurées pouvaient renverser les fronts d'onde de la lumière lorsqu'elle se propageait le long d'elles. « Sur de telles surfaces, appelées métasurfaces hyperboliques, les ondes émises par une source ponctuelle ne se propagent que dans certaines directions, et avec des fronts d'onde ouverts (concaves), " explique Javier Alfaro, doctorat étudiant à nanoGUNE et co-auteur de l'article. Ces ondes inhabituelles sont appelées polaritons de surface hyperboliques. Parce qu'ils ne se propagent que dans certaines directions, et avec des longueurs d'onde bien inférieures à celle de la lumière en espace libre ou des guides d'ondes standards, ils pourraient aider à miniaturiser les dispositifs optiques de détection et de traitement du signal.

Maintenant, les chercheurs ont développé une telle métasurface pour la lumière infrarouge. Il est à base de nitrure de bore, un matériau 2-D de type graphène, qui a été sélectionné en raison de sa capacité à manipuler la lumière infrarouge à des échelles de longueur extrêmement petites. Cela a des applications dans les capteurs chimiques miniaturisés ou pour la gestion de la chaleur dans les dispositifs optoélectroniques à l'échelle nanométrique. Les chercheurs ont directement observé les fronts d'onde concaves avec un microscope optique spécial.

Les métasurfaces hyperboliques sont difficiles à fabriquer, car une structuration extrêmement précise à l'échelle nanométrique est requise. Irène Dolado, doctorat étudiant à nanoGUNE, et Saül Vélez, ancien chercheur postdoctoral à nanoGUNE (maintenant à l'ETH Zürich) a relevé ce défi en utilisant la lithographie par faisceau d'électrons et la gravure de fines lamelles de nitrure de bore de haute qualité fournies par l'Université d'État du Kansas. "Après plusieurs étapes d'optimisation, nous avons atteint la précision requise et obtenu des structures de réseau avec des entrefers aussi petits que 25 nm, " dit Dolado. " Les mêmes méthodes de fabrication peuvent également être appliquées à d'autres matériaux, qui pourrait ouvrir la voie à la réalisation de structures de métasurface artificielles avec des propriétés optiques sur mesure, " ajoute Saül Vélez.

Pour voir comment les ondes se propagent le long de la métasurface, les chercheurs ont utilisé une technique de nano-imagerie infrarouge de pointe qui a été mise au point par le groupe de nanooptique de nanoGUNE. Ils ont d'abord placé une nanotige d'or infrarouge sur la métasurface. "Il joue le rôle d'une pierre tombée dans l'eau, " dit Peining Li. La nanotige concentre la lumière infrarouge incidente dans un petit point, qui lance des ondes qui se propagent ensuite le long de la métasurface. À l'aide d'un microscope à champ proche à balayage de type à diffusion (s-SNOM), les chercheurs ont imagé les ondes. "C'était incroyable de voir les images. Elles montraient en effet la courbure concave des fronts d'onde qui se propageaient à partir de la nanotige en or, exactement comme prédit par la théorie, " dit Rainer Hillenbrand, Professeur Ikerbasque à nanoGUNE, qui a dirigé les travaux.

Les résultats promettent que les matériaux 2D nanostructurés deviendront une nouvelle plate-forme pour les dispositifs et circuits de métasurface hyperbolique, et démontrer en outre comment la microscopie en champ proche peut être appliquée pour dévoiler des phénomènes optiques exotiques dans les matériaux anisotropes et pour vérifier de nouveaux principes de conception de métasurfaces.