Une équipe de recherche internationale a trouvé un moyen de rendre la conversion de fréquence de la lumière à l'échelle nanométrique 100 fois plus efficace. La nouvelle méthode est basée sur des nanoparticules diélectriques isolées supportant des états liés dans le continuum. De tels états apparaissent lorsque les champs rayonnants dans la particule se suppriment mutuellement, afin que l'énergie électromagnétique à l'intérieur de la particule puisse être piégée. Cette prédiction peut être utilisée pour une nouvelle génération de minuscules dispositifs de conversion de fréquence appelés nanolasers. La recherche a été publiée dans Lettres d'examen physique le 19 juillet, 2018.

L'un des problèmes clés de la nanophotonique non linéaire est la conversion de fréquence du rayonnement électromagnétique à l'échelle nanométrique. En changeant la fréquence, le rayonnement peut être converti d'une bande spectrale à une autre :du térahertz à l'infrarouge, et de l'infrarouge au visible. Cette transformation peut être réalisée efficacement par des dispositifs macroscopiques, mais c'est un défi d'atteindre la conversion de fréquence à l'échelle nanométrique.

L'interaction des nanoparticules avec la lumière est assez particulière en raison de leur très petite taille. Par conséquent, afin d'augmenter l'efficacité de la conversion de fréquence de la lumière à l'échelle nanométrique, il est nécessaire de réduire les pertes d'énergie lors des processus clés se produisant dans la nanoparticule :apport de rayonnement, confinement énergétique, et conversion non linéaire.

Pour résoudre tous ces problèmes, une équipe internationale de physiciens de l'Université ITMO, Centre de physique non linéaire de l'Université nationale australienne, et l'Université de Brescia en Italie a proposé d'utiliser de nouveaux résonateurs nanométriques. Elles sont, en substance, nanoparticules diélectriques en forme de disque avec un indice de réfraction élevé qui supportent les états dits liés dans le continuum. De tels états peuvent être créés lorsque plusieurs types d'oscillations d'énergie électromagnétique dans la particule se suppriment mutuellement. De cette façon, l'énergie de la lumière peut être "enfermée" à l'intérieur de la particule.

Mathématiquement, l'énergie peut être verrouillée pour toujours, à condition que les résonateurs soient absolument idéaux. En pratique, il est possible de piéger la lumière pour un fini, encore assez longtemps, même dans une seule nanoparticule. Cela nécessite un rapport optimal de la forme des particules, Taille, et matériel.

"Bien que nous ayons déjà décrit des nanorésonateurs diélectriques si particuliers, nous n'avons pas encore analysé leurs perspectives pratiques. Maintenant, avec nos collègues italiens Dr Luca Carletti et Prof Constantino De Angelis, nous avons calculé comment ce résonateur génère la lumière avec une double fréquence. Les résultats montrent que cette structure contribue à augmenter l'efficacité des processus non linéaires de deux ordres de grandeur. Cependant, ce n'était pas si facile, car nous devions trouver le moyen optimal de pomper l'énergie dans le résonateur. Nous avons découvert que dans notre cas, l'onde incidente devait être polarisée de manière à osciller le long de la tangente au cercle. Cela coïncide avec la structure du champ électromagnétique à l'intérieur de la particule, " dit Kirill Koshelev, membre du Laboratoire international des métamatériaux de l'Université ITMO.

Par conséquent, l'équipe de recherche a réussi à atteindre une efficacité record de doublement de fréquence de la lumière avec des nanoparticules diélectriques. Maintenant, au lieu d'un centième de pour cent, il est possible d'économiser jusqu'à plusieurs pour cent de l'énergie lumineuse lors de la conversion. Ce résultat ouvre la voie à la détection expérimentale d'un rayonnement converti par une nanoparticule, ce qui signifie que la méthode proposée peut être utilisée dans des applications pratiques.

« Nous avons suggéré une conception de convertisseurs de lumière à l'échelle nanométrique pouvant être utilisés pour diverses applications. Par exemple, ils peuvent être utilisés dans des dispositifs optiques plats de vision nocturne qui convertissent le rayonnement infrarouge en lumière visible. À la fois, le matériau diélectrique que nous avons choisi, arséniure d'aluminium-gallium, a une technologie de fabrication mature. Étant donné que le matériel est largement disponible, nous nous attendons à ce que notre idée et nos prédictions poussent à de nouveaux progrès dans la nanophotonique et la méta-optique non linéaires, " dit le professeur Yuri Kivshar, co-président du Département de nanophotonique et métamatériaux de l'Université ITMO et professeur émérite de l'Université nationale australienne.