Des chercheurs d'Eindhoven ont mis au point un nouveau type de laser nanométrique qui brille dans toutes les directions. La clé de son émission lumineuse omnidirectionnelle est l'introduction de quelque chose qui est généralement hautement indésirable en nanotechnologie :des irrégularités dans les matériaux. Les chercheurs prévoient une vaste gamme d'applications potentielles, mais d'abord, ils espèrent que leur travail fondamental inspirera d'autres à l'améliorer encore et à approfondir la compréhension. Les résultats sont publiés dans la revue Lettres d'examen physique .

Le manque de contrôle des variables déterminant la réponse d'un système est généralement considéré comme une malédiction en science et en technologie. Mais qu'en est-il d'une légère pincée d'imperfection et de désordre ? Les imperfections et les irrégularités sont inévitables en nanoscience en raison de notre niveau limité de contrôle des processus de nanofabrication. Le désordre est potentiellement préjudiciable aux nanosystèmes, mais si bien contenu, le désordre n'est peut-être pas un intrus après tout, menant à de nouveaux concepts et applications physiques.

Des scientifiques de l'Université de technologie d'Eindhoven (TU/e) et de l'Institut néerlandais de recherche fondamentale sur l'énergie (DIFFER) ont étudié le rôle des imperfections et du désordre dans les nanolasers. En introduisant un léger désordre, ils ont observé un changement dramatique :le laser n'émet plus dans une direction spécifique, mais dans tous les sens.

Le développement de lasers nanométriques (plus petits que l'épaisseur d'un cheveu humain) est un domaine de recherche très actif. Dans un laser normal, chaque photon (particule lumineuse) est « cloné » plusieurs fois dans un milieu situé à l'intérieur d'une cavité (par exemple, une paire de miroirs entre lesquels le photon va et vient en produisant d'autres photons ayant les mêmes caractéristiques). Ce processus est connu sous le nom d'amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement (LASER). Pour obtenir une émission laser, un courant électrique est généralement injecté à travers le milieu, ou il est éclairé par une lumière à haute énergie. L'énergie minimale nécessaire à l'émission d'un laser est appelée seuil laser.

Un autre type de laser est le laser dit à polaritons. Cela fonctionne sur le principe non pas de cloner des photons mais de rendre les photons non identiques identiques à peu près de la même manière que les molécules de vapeur d'eau, se déplaçant dans toutes les directions avec des vitesses différentes, sont condensés en une seule goutte. La condensation des photons donne lieu à l'émission intense et directionnelle caractéristique d'un laser. Un avantage important des lasers à polaritons est qu'ils ont un seuil laser beaucoup plus bas, ce qui en fait d'excellents candidats pour de nombreuses applications.

Cependant, un problème majeur des lasers à polaritons a été qu'ils doivent fonctionner à des températures très basses (comme la condensation de vapeur qui n'a lieu que lorsque la température est abaissée) mais en utilisant des matériaux organiques, il est possible d'obtenir une émission laser à polaritons même à température ambiante. Les chercheurs d'Eindhoven ont démontré l'année dernière qu'ils peuvent réaliser des lasers à polaritons nanométriques qui fonctionnent à température ambiante, utilisant des nanoparticules métalliques au lieu de miroirs comme dans les lasers normaux.

Les chercheurs de TU/e-DIFFER ont maintenant découvert un nouveau type de laser à polaritons qui consiste en un motif régulier de nanobandes d'argent recouvertes de polymère PMMA coloré dont le colorant comprend des molécules organiques émettrices. Cependant, les rayures argentées ont délibérément un certain degré d'imperfection et de désordre. L'émission de ce nanolaser non parfait est omnidirectionnelle et principalement déterminée par les propriétés des molécules organiques. Ce résultat n'est pas attendu dans le cadre de la condensation, car l'émission omnidirectionnelle nécessite des émissions de molécules organiques indépendantes au lieu de l'émission collective typique de la condensation. La démonstration de l'émission omnidirectionnelle définit de nouvelles limites pour le développement de lasers nanométriques à température ambiante.

Les chercheurs pensent que leur laser pourrait éventuellement être appliqué dans de nombreux domaines. Par rapport à une LED, la lumière laser omnidirectionnelle est beaucoup plus lumineuse et mieux définie. C'est pourquoi c'est un bon candidat pour l'éclairage de microscopie, qui utilise actuellement des LED. Le LIDAR (Laser Imaging Detection And Ranging) est une autre application potentielle. Le LIDAR actuel utilise un ou plusieurs lasers et un ensemble de miroirs à déplacement rapide afin de couvrir de vastes zones pour imager des objets distants. Un laser omnidirectionnel ne nécessite pas les miroirs mobiles, réduisant ainsi considérablement la complexité. Et aussi l'éclairage général est une option, déclare le professeur principal Jaime Gomez Rivas. "Mais la recherche est toujours très fondamentale. Nous espérons que nos résultats inciteront d'autres chercheurs à les améliorer en réduisant davantage le seuil laser ou en augmentant la gamme de couleurs émises."

Le groupe de recherche responsable de ce travail étudie l'interaction lumière-matière renforcée par des structures résonantes, telles que les nanoparticules métalliques et les surfaces structurées. Un fort couplage lumière-matière conduit à de nouveaux phénomènes fondamentaux qui peuvent être exploités pour adapter les propriétés des matériaux. Le groupe fait partie du groupe de capacité Photonique et nanophysique des semi-conducteurs du département de physique appliquée et de l'"Institute for Integrated Photonics" de l'Université de technologie d'Eindhoven (TU/e), et anciennement membre de l'Institut néerlandais de recherche fondamentale sur l'énergie (DIFFER), où le travail expérimental dans cet article a été effectué.