Une équipe internationale de chercheurs de l'Université ITMO, l'Université nationale australienne, et l'Université de Corée ont piégé expérimentalement une onde électromagnétique dans un nanorésonateur à l'arséniure de gallium de quelques centaines de nanomètres pour un temps record. Les tentatives précédentes pour piéger la lumière pendant une si longue période n'ont réussi qu'avec des résonateurs beaucoup plus gros. En outre, les chercheurs ont apporté la preuve expérimentale que ce résonateur peut servir de base à un nanoconvertisseur de fréquence lumineuse efficace. Les résultats de cette recherche ont suscité un grand intérêt au sein de la communauté scientifique et ont été publiés dans Science , l'une des principales revues universitaires au monde. Les scientifiques ont fait des suggestions sur des opportunités radicalement nouvelles pour l'optique sous-longueur d'onde et la nanophotonique, y compris le développement de capteurs compacts, appareils de vision nocturne, et les technologies de transmission de données optiques.

Le problème de la manipulation des propriétés des ondes électromagnétiques à l'échelle nanométrique est d'une importance primordiale en physique moderne. En utilisant la lumière, nous pouvons transférer des données sur de longues distances, enregistrer et lire les données, et effectuer d'autres opérations essentielles au traitement des données. Pour faire ça, la lumière doit être piégée dans un petit espace et y être maintenue pendant une longue période, ce que les physiciens n'ont réussi à faire qu'avec des objets de taille significative, plus grande que la longueur d'onde de la lumière. Ceci limite l'utilisation de signaux optiques en optoélectronique.

Il y a deux ans, une équipe de recherche internationale de l'Université ITMO, l'Université nationale australienne, et l'Institut Ioffe avait théoriquement prédit un nouveau mécanisme qui permet aux scientifiques de piéger la lumière dans des résonateurs miniatures beaucoup plus petits que la longueur d'onde de la lumière et mesurés en centaines de nanomètres. Cependant, jusque récemment, personne n'avait mis en œuvre le mécanisme dans la pratique.

Une équipe internationale de chercheurs de l'Université ITMO, l'Université nationale australienne, et l'Université de Corée a été réunie pour prouver cette hypothèse. D'abord, ils ont développé le concept :l'arséniure de gallium a été choisi comme matériau clé, étant un semi-conducteur avec un indice de réfraction élevé et une forte réponse non linéaire dans le proche infrarouge. Les chercheurs ont également décidé de la forme la plus optimale pour le résonateur qui piégerait efficacement le rayonnement électromagnétique.

Afin de piéger efficacement la lumière, le rayon doit être réfléchi par les limites internes de l'objet autant de fois que possible sans échapper au résonateur. On pourrait supposer que la meilleure solution serait de rendre l'objet aussi complexe que possible. En réalité, c'est juste le contraire :plus un corps a de plans, la lumière la plus probable est d'y échapper. La forme presque idéale pour ce cas était un cylindre, qui possède le nombre minimal de frontières. Une question qui restait à résoudre était de savoir quel rapport diamètre/hauteur serait le plus efficace pour piéger la lumière. Après des calculs mathématiques, l'hypothèse devait être confirmée expérimentalement.

"Nous avons utilisé de l'arséniure de gallium pour créer des cylindres d'environ 700 nanomètres de hauteur et avec des diamètres variables proches de 900 nanomètres. Ils sont presque invisibles à l'œil nu. Comme nos expériences l'ont montré, la particule de référence avait capturé la lumière pendant un temps dépassant 200 fois la période d'une oscillation d'onde. D'habitude, pour des particules de cette taille, le rapport est de cinq à dix périodes d'oscillations d'ondes. Et nous en avons obtenu 200 ! " dit Kirill Koshelev, le premier co-auteur de l'article.

Les scientifiques ont divisé leur étude en deux parties :l'une est une confirmation expérimentale de la théorie exprimée précédemment, et l'autre est un exemple de la façon dont de tels résonateurs pourraient être utilisés. Par exemple, le piège a été utilisé pour un nanodispositif capable de changer la fréquence, et donc la couleur, d'une onde lumineuse. En traversant ce résonateur, le faisceau infrarouge est devenu rouge, devenir visible à l'œil humain.

La conversion de fréquence des oscillations électromagnétiques n'est pas la seule application de cette technologie. Il a également des applications potentielles dans divers dispositifs de détection et même des revêtements de verre spéciaux qui permettraient de produire une vision nocturne colorée.

"Si le résonateur est capable de piéger efficacement la lumière, puis en plaçant, dire, une molécule à côté augmentera l'efficacité de l'interaction de la molécule avec la lumière d'un ordre de grandeur, et la présence même d'une molécule singulière peut facilement être détectée expérimentalement. Ce principe peut être utilisé dans le développement de biocapteurs hautement sensibles. En raison de la capacité des résonateurs à modifier la longueur d'onde de la lumière, ils peuvent être utilisés dans des appareils de vision nocturne. Après tout, même dans l'obscurité, il existe des ondes électromagnétiques infrarouges invisibles à l'œil humain. En transformant leur longueur d'onde, nous pouvions voir dans le noir. Tout ce que vous avez à faire est d'appliquer ces cylindres sur des lunettes ou le pare-brise d'une voiture. Ils seraient invisibles à l'œil mais nous permettraient quand même de voir beaucoup mieux dans l'obscurité que nous ne pouvons le faire par nous-mêmes, " explique Kirill Koshelev.

Outre l'arséniure de gallium, de tels pièges peuvent être réalisés en utilisant d'autres diélectriques ou semi-conducteurs, tel que, par exemple, silicium, qui est le matériau le plus courant dans la microélectronique moderne. Aussi, la forme optimale pour piéger la lumière, à savoir le rapport du diamètre d'un cylindre à sa hauteur, peut être agrandie pour créer des pièges plus grands.