En 1884, un maître d'école et théologien nommé Edwin Abbott a écrit une nouvelle intitulée Flatland, qui raconte l'histoire d'un monde peuplé de formes bidimensionnelles sensibles. Bien que conçu comme une satire des normes sociales victoriennes rigides, Flatland a longtemps fasciné les mathématiciens et les physiciens et a servi de cadre à de nombreuses expériences de pensée.

Une de ces expériences de pensée :comment la lumière peut-elle être contrôlée en deux dimensions ?

Lorsqu'une onde lumineuse est confinée sur un plan bidimensionnel par certains matériaux, il devient quelque chose qu'on appelle un polariton, une particule qui brouille la distinction entre la lumière et la matière. Les polaritons ont des implications passionnantes pour l'avenir des circuits optiques car, contrairement aux circuits intégrés électroniques, l'optique intégrée est difficile à miniaturiser avec des matériaux couramment utilisés. Les polaritons permettent à la lumière d'être étroitement confinée à l'échelle nanométrique, même potentiellement à l'épaisseur de quelques atomes.

Le défi est, tous les moyens dont nous disposons actuellement pour contrôler la lumière :les lentilles, guides d'ondes, prismes—sont tridimensionnels.

« La capacité de contrôler et de confiner la lumière avec des circuits optiques entièrement reprogrammables est vitale pour les futurs dispositifs nanophotoniques hautement intégrés, " a déclaré Michèle Tamagnone, un boursier postdoctoral en physique appliquée à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Maintenant, Tamagnone et une équipe de chercheurs de SEAS ont développé des composants optiques réinscriptibles pour les ondes lumineuses de surface. La recherche a été publiée dans Communication Nature .

Dans des recherches antérieures, l'équipe, dirigé par Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et le chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique, a démontré une technique pour créer et contrôler des polaritons en piégeant la lumière dans un flocon de nitrure de bore hexagonal. Dans cette étude, les chercheurs ont placé ces flocons sur la surface d'un matériau connu sous le nom de GeSbTe (GST), les mêmes matériaux que ceux utilisés à la surface des CD et des disques Blu-ray réinscriptibles.

"La propriété réinscriptible de la GST utilisant de simples impulsions laser permet l'enregistrement, effacement et réécriture de bits d'information. En utilisant ce principe, nous avons créé des lentilles, prismes et guides d'ondes en les écrivant directement dans la couche de matériau, " a dit Xinghui Yin, stagiaire postdoctoral à SEAS et co-premier auteur de l'étude.

Les lentilles et prismes sur ce matériau ne sont pas des objets tridimensionnels comme dans notre monde, mais plutôt des formes en deux dimensions, comme ils le seraient à Flatland. Au lieu d'avoir une lentille semi-sphérique, les polaritons sur le matériau Flatland-esc traversent un demi-cercle plat de matériau réfringent qui agit comme une lentille. Au lieu de voyager à travers un prisme, ils voyagent à travers un triangle et au lieu de fibres optiques, les polaritons se déplacent sur une simple ligne, qui guide les vagues le long d'un chemin prédéfini.

En utilisant une technique connue sous le nom de microscopie en champ proche, qui permet l'imagerie de caractéristiques beaucoup plus petites que la longueur d'onde de la lumière, les chercheurs ont pu voir ces composants à l'œuvre. Ils ont également démontré pour la première fois qu'il est possible d'effacer et de réécrire les composants optiques qu'ils ont créés.

"Cette recherche pourrait conduire à de nouvelles puces pour des applications telles que la détection chimique d'une molécule unique, puisque les polaritons dans nos dispositifs réinscriptibles correspondent à des fréquences dans la région du spectre où les molécules ont leurs empreintes d'absorption révélatrices, " dit Capasso.