Les cristaux photoniques devraient être l'une des merveilles du 21e siècle. Au 20ème siècle, une nouvelle compréhension de la structure des bandes électroniques - la physique qui détermine quand un solide conduit ou isole - a révolutionné le monde. Cette même physique, lorsqu'il est appliqué à des cristaux photoniques, nous permet de contrôler la lumière de la même manière que nous contrôlons les électrons. Si les cristaux photoniques tiennent leurs promesses, des transistors tout optiques qui consomment peu d'énergie et permettent des ordinateurs encore plus puissants pourraient devenir une réalité.

Mais, cette destination n'est pas encore en vue. Le problème en est un de contrôle. Nous avons un contrôle exquis sur la fabrication de circuits intégrés électroniques, et les semi-conducteurs et les électrons sont très flexibles - si vous voulez changer l'énergie d'un électron, il suffit d'appliquer une tension.

Le contrôle de la fabrication des cristaux photoniques est plus difficile. Chaque petite structure doit être fabriquée, reproduite et placée avec précision. Une fois fait, un cristal photonique est immuable, ce qui le rend très rigide. De même, les énergies des photons ne peuvent pas être modifiées aussi efficacement que les énergies des électrons. Le résultat étant, si les cristaux photoniques sont l'avenir de l'informatique, nous devrons apprendre à les fabriquer de manière à pouvoir les modifier à la volée.

Films fluides ondulés comme métasurfaces

Dans un nouveau Photonique avancée papier, Shimon Rubin et Yeshaiahu Fainman de l'Université de Californie à San Diego ont montré comment il pourrait être possible de créer un cristal photonique flexible mais durable à partir d'un liquide. Ils ont effectué une série de calculs pour prédire la formation et les performances d'un cristal photonique sur la base d'un chauffage très localisé dans des films minces liquides.

Les liquides ne sont généralement pas considérés comme un bon choix pour un cristal photonique, car les liquides n'ont pas de structure fixe. Les propriétés optiques d'un cristal photonique dépendent de la capacité de la lumière à refléter des millions de structures placées avec précision. Mais les liquides montent et descendent, les structures sont donc rapidement emportées.

Cependant, Rubin et Fainman ont noté qu'à l'interface entre un film liquide mince et un solide ou un gaz, l'interaction entre la tension superficielle du liquide et la température locale peut créer une petite structure (par exemple, le liquide s'accumule pour créer une petite colline). Cependant, on ne savait pas si les structures étaient suffisamment importantes pour fonctionner comme une métasurface (un type de cristal photonique) et modifier la propagation de la lumière.

Les chercheurs ont étudié plusieurs arrangements de films liquides qui permettent facilement à la lumière d'être guidée (au moins partiellement) dans le liquide. Pour obtenir une structure, les chercheurs ont examiné comment l'absorption de la lumière pouvait chauffer le liquide. En utilisant des ondes lumineuses qui se croisent à différents angles à l'intérieur du film, un motif de taches claires et sombres est créé - ce motif est appelé motif d'ondes stationnaires. Le liquide n'absorbe l'énergie que des taches lumineuses, Par conséquent, le liquide ne chauffera qu'à des endroits bien précis.

Fluides souples

Les chercheurs ont utilisé les propriétés optiques et thermiques du liquide, combiné avec des équations dynamiques des fluides et propagation de la lumière pour calculer la chaleur absorbée par le fluide, et comment cela le déformerait localement. Les chercheurs ont montré que des arrangements périodiques de collines et de vallées dans le film liquide pouvaient être obtenus en croisant entre deux et quatre ondes lumineuses. Deux ondes lumineuses créent des lignes de collines et de vallées, trois ondes lumineuses créent des arrangements hexagonaux de collines et de vallées, tandis que quatre faisceaux lumineux créent un échiquier. Les propriétés optiques ont ensuite été calculées à partir de ces arrangements spatiaux.

Pour démontrer l'utilité de leur métasurface proposée, les chercheurs ont calculé le seuil d'un laser. Si un média de gain comme un colorant est ajouté au fluide, la déformation périodique du liquide telle que décrite ci-dessus peut conduire à la formation de résonateurs, capable de prendre en charge les modes laser. La modification de la symétrie du cristal liquide photonique permet alors de contrôler la fréquence et la direction d'émission du mode laser.

Les cristaux photoniques liquides semblent avoir de très belles propriétés. Parce que la lumière est utilisée pour créer le motif dans le liquide, le motif se forme naturellement et sans erreurs. Et, le motif peut être modifié à la volée en changeant l'angle entre les ondes lumineuses, ou la longueur d'onde de la lumière utilisée pour créer le motif. Même des motifs en mouvement peuvent être créés en modulant l'une des ondes lumineuses. Cette flexibilité inhérente devrait permettre de nombreuses applications intéressantes dans, par exemple, calcul et soins de santé. Cependant, le succès de cette approche dépendra d'une démonstration physique du concept de base.