La capacité de manipuler la lumière à une échelle inférieure à la longueur d'onde pourrait conduire à une révolution dans les dispositifs photoniques tels que les antennes, panneaux solaires, et même des dispositifs de camouflage. Les progrès de la nanotechnologie ont rendu cela possible grâce au développement de métasurfaces, matériaux recouverts de caractéristiques plus petites que la longueur d'onde de la lumière.

Maintenant, une équipe dirigée par des chercheurs d'A*STAR a produit une métasurface très prometteuse qui peut être contrôlée avec précision à l'aide d'un circuit électrique conventionnel afin qu'elle réfléchisse et transmette différentes quantités de rayonnement. Il peut même atteindre l'état d'« antireflet parfait » où il ne réfléchit aucun rayonnement. Spécifiquement, la surface fonctionne avec un rayonnement térahertz à large bande, qui se trouve à l'extrémité du spectre infrarouge et a de nombreuses utilisations potentielles, notamment dans les domaines de la sécurité ou du médical.

"Le rayonnement térahertz peut pénétrer une grande variété de matériaux non conducteurs, mais est bloqué par de l'eau liquide ou des métaux, " explique Lu Ding, qui a dirigé les travaux avec Jinghua Teng à l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR (IMRE). "Cela signifie que les faisceaux térahertz peuvent être utilisés pour la caractérisation des matériaux, inspection de couche, et produire des images à haute résolution de l'intérieur d'objets solides. C'est un rayonnement non ionisant, et plus sûr que les rayons X."

Les métasurfaces précédentes ont été conçues pour manipuler la réflexion du rayonnement térahertz. Cependant, leur application a été limitée, comme l'explique Ding :« Les surfaces antireflet térahertz conventionnelles sont passives et utilisent souvent un revêtement métallique ultrafin qui, une fois fabriqué, devient fixe et vous ne pouvez pas régler activement ses performances."

"Une métasurface accordable électriquement produirait des dispositifs plus polyvalents et rendrait plus de flexibilité dans la conception du système, " ajoute Teng. " C'est la percée que la communauté recherche. "

Ding et Teng, avec des collègues de l'A*STAR Institute of Microelectronics (IME), Université technologique de Nanyang, Université nationale de Singapour et Université de Jilin en Chine, fabriqué leur nouvelle métasurface sur une plaquette de silicium, en utilisant un processus entièrement compatible avec les technologies complémentaires métal-oxyde semi-conducteur (CMOS) qui sous-tendent la plupart des composants électroniques.

La métasurface exposée contient des bandes de silicium semi-conducteur, dopé avec d'autres éléments. Ces rayures sont alternativement de type n, dans laquelle les porteurs de charges mobiles sont des électrons, et de type p, dans lequel les porteurs sont des « trous » chargés positivement dans la structure électronique. Lorsque la tension fournie aux jonctions p-n est modifiée, la réflexion et la transmission du rayonnement changent également.

L'équipe a réalisé que le coefficient de réflexion augmentait en réponse à une élévation de température causée par la tension appliquée. Pendant ce temps, la transmission a montré une réponse plus complexe en fonction de la polarité de la tension, qui a affecté le type de porteur de charge qui est devenu dominant. En utilisant la spectroscopie temporelle térahertz, l'équipe a montré que certaines conditions de tension faisaient disparaître l'impulsion d'écho de la métasurface, représentant un antireflet complet.

En plus de fournir ce contrôle sans précédent sur la réflexion et la transmission, la métasurface a l'avantage d'être presque entièrement plate au niveau atomique. Cela le rend idéal pour créer des couches lisses dans des appareils plus complexes.

"Un autre grand avantage est pour nos recherches sur la façon dont les matériaux 2D interagissent avec les métamatériaux ou les métasurfaces 2D, un sujet de notre projet dans le programme Pharos 2-D Semiconductors d'A*STAR, " dit Teng. " La surface atomiquement lisse rend le transfert et la formation d'hétérostructures 2-D-Si beaucoup plus faciles que les surfaces à motifs de piliers ou de disques nanométriques observés sur les métasurfaces conventionnelles. "

"Nous pourrions exploiter davantage ce type de métasurface en polarisant indépendamment les jonctions p-n ou en concevant des fonctions modulaires, ce qui signifie que nous aurions des métamatériaux pré-programmables, " dit Ding. Teng ajoute que la même plate-forme pourrait être utilisée pour étudier des matériaux 2D prometteurs comme le bisulfure de molybdène, qui présente des propriétés électroniques et optiques impressionnantes pour une utilisation dans de nouveaux circuits flexibles.