Une prison miniature pour les photons, c'est la nanocavité découverte par des scientifiques de l'université de Twente. C'est une cavité extrêmement petite entourée d'un cristal optique, une structure de pores gravés dans deux directions perpendiculaires. Le confinement des photons dans cette cavité 3D peut conduire à des lasers et des LED minuscules et efficaces, stockage d'informations ou capteurs de lumière ultrasensibles. Les résultats sont publiés dans Examen physique B , l'un des journaux de l'American Physical Society.

Les techniques de piégeage de la lumière sont à la base de la photonique. Une cavité bien connue se compose de deux miroirs entre lesquels une onde stationnaire sera formée d'une certaine couleur de lumière, en fonction de la distance entre les miroirs. C'est le principe de fonctionnement d'un laser. Mais la lumière qui fuit latéralement ne sera plus jamais réfléchie. Est-il possible de piéger un photon à l'intérieur d'une « cellule de prison » tridimensionnelle entourée de miroirs ? Il est en effet, les chercheurs de l'UT le démontrent maintenant. Les miroirs, dans ce cas, sont formés par un cristal photonique tridimensionnel, constitué de pores qui ont été gravés profondément dans le silicium dans deux directions, perpendiculaires l'une à l'autre.

Les cristaux photoniques sont connus pour leurs propriétés lumineuses très particulières. La structure et la périodicité des pores permettent uniquement à la lumière de certaines longueurs d'onde de se propager à l'intérieur du cristal. Mais comment créer une cavité pour piéger un photon dans une structure comme celle-ci ? Dans leur nouveau papier, les chercheurs de l'UT montrent que cela est possible en modifiant délibérément le diamètre de deux pores. A leur point de passage, une irrégularité ou un défaut se forme à l'intérieur du cristal. Cette minuscule cavité est entourée par la structure cristalline périodique, refouler le photon dans la cavité. Il n'y a tout simplement pas d'échappatoire. "Nos calculs montrent que dans ce petit volume de la cavité, l'énergie optique est augmentée jusqu'à 2, 400 fois par rapport à l'extérieur du cristal. Il s'agit d'une très grande amélioration, vu les petites dimensions, " dit le Dr Devashish, l'auteur principal de l'article.

Poids léger

En modifiant localement la structure périodique, le cristal montre également une absorption considérable de la lumière visible, jusqu'à dix fois l'absorption du silicium en vrac. « Cette forte absorption, dans un tout petit volume, est une excellente propriété pour les nouveaux capteurs. Grâce à la densité élevée des pores, le cristal est très léger - nous appelons aussi cela « le trou »", dit le professeur Willem Vos. Il est le chef de groupe des systèmes photoniques complexes à l'institut MESA+ de l'UT.

Dans des publications antérieures, le groupe a montré que les cristaux photoniques de type diamant peuvent refléter une très large gamme de couleurs de lumière pour tous les angles :ces résultats ont conduit à la nouvelle découverte maintenant présentée. Dans les prochaines générations de circuits intégrés photoniques (PIC), les nanocavités devraient jouer un rôle majeur dans le traitement des signaux optiques, dans le stockage d'informations ou les dispositifs photoniques quantiques.

La recherche a été effectuée par le groupe Complex Photonic Systems, avec le groupe Mathematics of Computational Science, tous deux de l'Institut MESA + de l'UT.

L'article "Cavité à bande interdite photonique tridimensionnelle avec support fini:densité d'énergie améliorée et absorption optique" est paru dans Examen physique B , Édition de février 2019.