Dans les années 1950, le domaine de l'électronique a commencé à changer lorsque le transistor a remplacé les tubes à vide dans les ordinateurs. Le changement, ce qui impliquait de remplacer les composants grands et lents par des composants petits et rapides, a été un catalyseur pour la tendance persistante de la miniaturisation dans la conception informatique. Aucune révolution de ce type n'a encore frappé le domaine de l'optique infrarouge, qui reste tributaire de pièces mobiles encombrantes qui empêchent la construction de petits systèmes.

Cependant, une équipe de chercheurs du MIT Lincoln Laboratory, avec le professeur Juejun Hu et des étudiants diplômés du département des sciences et de l'ingénierie des matériaux du MIT, conçoit un moyen de contrôler la lumière infrarouge en utilisant des matériaux à changement de phase au lieu de pièces mobiles. Ces matériaux ont la capacité de changer leurs propriétés optiques lorsqu'on leur ajoute de l'énergie.

« Il y a plusieurs façons possibles où ce matériau peut activer de nouveaux dispositifs photoniques qui ont un impact sur la vie des gens, " dit Hu. "Par exemple, il peut être utile pour les commutateurs optiques économes en énergie, ce qui peut améliorer la vitesse du réseau et réduire la consommation d'énergie des centres de données Internet. Il peut activer des dispositifs méta-optiques reconfigurables, comme compact, Objectifs zoom infrarouge plats sans pièces mécaniques mobiles. Elle peut également conduire à de nouveaux systèmes informatiques, qui peut rendre l'apprentissage automatique plus rapide et plus économe en énergie par rapport aux solutions actuelles."

Une propriété fondamentale des matériaux à changement de phase est qu'ils peuvent modifier la vitesse à laquelle la lumière les traverse (l'indice de réfraction). "Il existe déjà des moyens de moduler la lumière en utilisant un changement d'indice de réfraction, mais les matériaux à changement de phase peuvent changer presque 1, 000 fois mieux, " dit Jeffrey Chou, un membre de l'équipe anciennement dans le groupe Matériaux et microsystèmes avancés du laboratoire.

L'équipe a réussi à contrôler la lumière infrarouge dans plusieurs systèmes en utilisant une nouvelle classe de matériau à changement de phase contenant les éléments germanium, antimoine, sélénium, et tellure, collectivement connu sous le nom de GSST. Ce travail est discuté dans un article publié dans Communication Nature .

La magie d'un matériau à changement de phase se produit dans les liaisons chimiques qui lient ses atomes entre eux. Dans un état de phase, le matériau est cristallin, avec ses atomes disposés en un motif organisé. Cet état peut être modifié en appliquant un court, pointe d'énergie thermique à haute température vers le matériau, provoquant la rupture des liaisons dans le cristal puis leur reformation de manière plus aléatoire, ou amorphe, modèle. Pour remettre le matériau à l'état cristallin, une impulsion d'énergie thermique à longue et moyenne température est appliquée.

"Ce changement des liaisons chimiques permet à différentes propriétés optiques d'émerger, similaire aux différences entre le charbon (amorphe) et le diamant (cristallin), " dit Christopher Roberts, un autre membre du Lincoln Laboratory de l'équipe de recherche. « Bien que les deux matériaux soient principalement du carbone, ils ont des propriétés optiques très différentes."

Actuellement, les matériaux à changement de phase sont utilisés pour des applications industrielles, tels que la technologie Blu-ray et les DVD réinscriptibles, car leurs propriétés sont utiles pour stocker et effacer une grande quantité d'informations. Mais si loin, personne ne les a utilisés dans l'optique infrarouge car ils ont tendance à être transparents dans un état et opaques dans l'autre. (Pensez au diamant, que la lumière peut traverser, et du charbon, que la lumière ne peut pas pénétrer.) Si la lumière ne peut pas traverser l'un des états, alors cette lumière ne peut pas être contrôlée de manière adéquate pour une gamme d'utilisations ; au lieu, un système ne pourrait fonctionner que comme un interrupteur marche/arrêt, permettant à la lumière de traverser le matériau ou de ne pas le traverser du tout.

Cependant, l'équipe de recherche a découvert qu'en ajoutant l'élément sélénium au matériau d'origine (appelé GST), l'absorption de la lumière infrarouge par le matériau dans la phase cristalline a considérablement diminué - en substance, le changeant d'un matériau opaque semblable à du charbon à un matériau plus transparent semblable à un diamant. Quoi de plus, la grande différence d'indice de réfraction des deux états affecte la propagation de la lumière à travers eux.

"Ce changement d'indice de réfraction, sans introduire de perte optique, permet la conception d'appareils qui contrôlent la lumière infrarouge sans avoir besoin de pièces mécaniques, ", dit Roberts.

Par exemple, imaginez un faisceau laser qui pointe dans une direction et doit être changé dans une autre. Dans les systèmes actuels, un grand cardan mécanique déplacerait physiquement une lentille pour orienter le faisceau vers une autre position. Une lentille à couche mince en GSST serait capable de changer de position en reprogrammant électriquement les matériaux à changement de phase, permettant la direction du faisceau sans pièces mobiles.

L'équipe a déjà testé avec succès le matériau dans une lentille mobile. Ils ont également démontré son utilisation en imagerie hyperspectrale infrarouge, qui est utilisé pour analyser les images à la recherche d'objets ou d'informations cachés, et dans un obturateur optique rapide capable de se fermer en quelques nanosecondes.

Les utilisations potentielles de la GSST sont vastes, et un objectif ultime pour l'équipe est de concevoir des puces optiques reconfigurables, lentilles, et filtres, qui doit actuellement être reconstruit à partir de zéro chaque fois qu'un changement est requis. Une fois que l'équipe est prête à déplacer le matériel au-delà de la phase de recherche, il devrait être assez facile de le faire passer dans l'espace commercial. Parce qu'il est déjà compatible avec les procédés de fabrication microélectroniques standards, Les composants GSST pourraient être fabriqués à faible coût et en grand nombre.

Récemment, le laboratoire a obtenu une chambre de pulvérisation combinatoire, une machine à la pointe de la technologie qui permet aux chercheurs de créer des matériaux personnalisés à partir d'éléments individuels. L'équipe utilisera cette chambre pour optimiser davantage les matériaux pour une fiabilité et des vitesses de commutation améliorées, ainsi que pour les applications de faible puissance. Ils prévoient également d'expérimenter d'autres matériaux qui pourraient s'avérer utiles pour contrôler la lumière visible.

Les prochaines étapes pour l'équipe consistent à examiner de près les applications réelles de GSST et à comprendre ce dont ces systèmes ont besoin en termes de puissance, Taille, vitesse de commutation, et contraste optique.

"L'impact [de cette recherche] est double, " Hu dit. " Les matériaux à changement de phase offrent un changement d'indice de réfraction considérablement amélioré par rapport à d'autres effets physiques - induits par un champ électrique ou un changement de température, par exemple, permettant ainsi des dispositifs et circuits optiques reprogrammables extrêmement compacts. Notre démonstration de la transparence optique bi-état dans ces matériaux est également importante dans la mesure où nous pouvons désormais créer des composants infrarouges hautes performances avec une perte optique minimale. » Le nouveau matériau, Hu continue, devrait ouvrir un tout nouvel espace de conception dans le domaine de l'optique infrarouge.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.