La largeur, la hauteur et l'espacement des cylindres représentés ici dictent comment le métamatériau décrit dans le nouveau document absorbe l'énergie électromagnétique. Crédit :Kebin Fan, université de Duke
Des chercheurs de l'Université Duke ont découvert qu'un absorbeur parfait d'ondes électromagnétiques qu'ils ont décrit dans un article de 2017 peut facilement être transformé en une sorte de "laser à temps inversé" connu sous le nom d'absorbeur parfait cohérent (CPA).
La recherche a été publiée en ligne le 28 janvier dans la revue Matériaux optiques avancés .
Un laser est un appareil qui transforme l'énergie en lumière cohérente, ce qui signifie que les ondes lumineuses sont parfaitement alignées les unes avec les autres. Inverser le processus, un CPA, parfois appelé laser à temps inversé, est un appareil qui absorbe toute l'énergie de deux ondes électromagnétiques identiques qui le frappent de chaque côté en parfaite synchronisation. C'est-à-dire, les crêtes et les creux de leurs vagues pénètrent dans le matériau de chaque côté précisément en même temps.
En 2017, Willie Padilla, professeur de génie électrique et informatique à Duke, construit le premier matériau capable d'absorber près de 100 pour cent de l'énergie d'une onde électromagnétique sans même contenir un atome de métal. L'appareil était un métamatériau - des matériaux synthétiques composés de nombreux individus, caractéristiques techniques qui, ensemble, produisent des propriétés que l'on ne trouve pas dans la nature.
Ce métamatériau particulier présentait de la céramique de zircone construite dans une surface alvéolée avec des cylindres comme la face d'une brique Lego. Après avoir modélisé informatiquement les propriétés de l'appareil en modifiant la taille et l'espacement des cylindres, les chercheurs ont réalisé qu'ils avaient en fait créé un type plus fondamental de CPA.
Image du métamatériau réel constitué d'un champ de cylindres spécialement conçus. Crédit :Willie Padilla, université de Duke
"Nous avons déjà étudié ce système comme un absorbeur parfait, mais maintenant nous avons compris que cet appareil peut également être configuré pour être un CPA, " a déclaré Padilla. " Cette étude a montré que ces domaines apparemment différents sont en fait un seul et même domaine. "
Les CPA actuellement décrites dans la littérature n'ont toutes qu'un seul mode. Ils fonctionnent lorsque les ondes électromagnétiques entrantes sont soit parfaitement alignées, soit parfaitement désynchronisées. Padilla et Kebin Fan, un professeur assistant de recherche dans le laboratoire de Padilla, ont découvert que leur absorbeur parfait est en fait un CPA avec deux modes qui se chevauchent :il peut absorber à la fois des ondes alignées et désalignées.
En modifiant les paramètres du matériau pour que les deux modes ne se chevauchent plus, Padilla et Fan ont pu montrer qu'il pouvait facilement devenir comme les CPA actuellement dans la littérature, mais avec beaucoup plus de polyvalence.
"Les CPA typiques n'ont qu'une seule variable, l'épaisseur du matériau, " dit Fan. " Nous en avons trois :le rayon des cylindres, hauteur et périodicité. Cela nous donne beaucoup plus de place pour adapter ces modes et les mettre dans le spectre de fréquences où nous le voulons, nous donnant beaucoup de flexibilité pour adapter les CPA. »
Les « lasers inversés » traditionnels ne peuvent absorber de l'énergie que lorsque les ondes électromagnétiques entrantes sont parfaitement alignées, comme dans l'exemple du haut. Crédit :Université Duke
Dans le journal, les chercheurs montrent que leur appareil peut basculer entre l'absorption de toutes les phases des ondes électromagnétiques et uniquement celles synchronisées les unes avec les autres simplement en augmentant la hauteur des cylindres de 1,1 millimètres à 1,4. Avec cette facilité de transition, ils pensent qu'il devrait être possible de concevoir un matériau capable de basculer dynamiquement entre les deux.
"Nous ne l'avons pas encore fait, " a déclaré Padilla. " C'est un défi, mais c'est à notre ordre du jour."
Bien qu'il n'existe actuellement aucun appareil qui utilise les capacités des CPA, Padilla et Fan en ont quelques-uns en tête. En principe, les chercheurs pourraient concevoir un appareil qui mesure non seulement l'intensité de la lumière entrante comme une caméra normale, mais aussi sa phase.
"Si vous essayez de comprendre les propriétés d'un matériau, plus vous avez de mesures, plus vous pouvez comprendre le matériel, " dit Padilla. " Et bien qu'il existe des détecteurs cohérents, nous en avons un dans notre propre laboratoire, en fait, ils sont extrêmement coûteux à construire avec d'autres technologies. »
