Depuis le développement des éléments optiques diffractifs dans les années 1970, les chercheurs ont de plus en plus découvert des principes fondamentaux d'optique sophistiqués pour remplacer les éléments optiques volumineux existants par des équivalents minces et légers. Les tentatives ont récemment abouti à des métasurfaces nanophotoniques qui contiennent des optiques plates constituées de réseaux denses de nanostructures métalliques ou semi-conductrices. De telles structures peuvent contrôler efficacement la phase et l'amplitude de diffusion de la lumière locale sur la base des résonances plasmoniques ou de Mie. Les scientifiques ont étudié les deux types de résonances pour réaliser des optiques à petit facteur de forme qui offrent multifonctionnalité et contrôle à travers le champ lumineux. Alors que ces fonctions de métasurface sont restées statiques, il est hautement souhaitable d'obtenir un contrôle dynamique pour les applications photoniques émergentes telles que la direction et la distance de la lumière (LIDAR) pour la cartographie en 3 dimensions (3D). Les résonances plasmonique et Mie n'offrent qu'une faible accordabilité électrique, mais des décennies de recherche sur la modulation optique décrivent la manipulation des excitons comme étant plus puissante pour contrôler les propriétés optiques d'un matériau.

Le rôle critique que les excitons peuvent jouer lors de la manipulation du front d'onde optique reste à comprendre et à démontrer avec des éléments optiques atomiquement minces. Dans une nouvelle étude maintenant publiée sur Photonique de la nature , Jorik van de Groep et une équipe de chercheurs en matériaux avancés de l'Université de Stanford et du Collège d'optique et de photonique de l'Université de Floride centrale, Les États-Unis ont conçu un élément optique atomiquement mince qui peut être contrôlé activement. Ils ont sculpté le substrat directement à partir d'une monocouche de bisulfure de tungstène (WS 2 ). Le matériau a montré une forte résonance excitonique dans le domaine spectral visible. Au lieu de l'approche typique pour concevoir la taille et la forme des antennes à résonance géométrique, l'équipe a conçu les métasurfaces constituées de matériaux excitoniques bidimensionnels (2D) en modifiant la résonance du matériau. En optimisant l'agencement des matériaux 2D, ils ont réalisé des fonctions optiques spécifiques pour réaliser des interactions lumière-matière résonantes et accordables.

Lentille à plaque de zone atomiquement fine réglable

Pour mettre en évidence l'importance des résonances des excitons dans le fonctionnement de la lentille plate, l'équipe a regardé les anneaux de WS 2 comme sources de champs dispersés, entraînée par une onde plane incidente. Les champs diffusés générés localement étaient proportionnels à la polarisation du WS 2 Matériel, les scientifiques s'attendaient à la plus forte diffusion près de la résonance des excitons, où l'amplitude de la susceptibilité électrique complexe (notée x) était la plus grande. La configuration expérimentale a permis d'obtenir des efficacités de focalisation sensiblement plus élevées avec des matériaux exfoliés de meilleure qualité dans lesquels la largeur de raie des excitons a été considérablement réduite.

Alors que cette lentille était pratiquement invisible à l'œil humain pour les longueurs d'onde non résonantes, il pourrait capturer des informations importantes de son environnement pour que l'intensité dans le foyer dépasse largement l'intensité de l'onde plane incidente. La dépendance spectrale de l'efficacité de focalisation dépendait de la susceptibilité matérielle complexe du WS 2 monocouche. Les scientifiques n'ont pas pu isoler expérimentalement le champ dispersé, mais ils ont collecté la lumière faiblement diffusée sur une grande surface pour déterminer l'intensité focale des plaques de zone expérimentales comme étant élevée et largement basée sur le WS 2 Matériel.

L'équipe a contrôlé l'efficacité de focalisation de la lentille en modifiant la résonance des excitons du WS 2 matériel à l'aide d'une porte électrique. Pour ça, ils ont analysé les changements de réflectivité induits à partir d'un simple 20 x 20 µm ² patch carré isolé de la monocouche WS 2, en fonction de la tension de grille appliquée. Ils ont observé une suppression complète des résonances excitoniques pour produire l'un des changements de susceptibilité les plus importants possibles. Cette suppression d'excitons était également entièrement réversible et hautement reproductible. Les observations ont mis en évidence les avantages des résonances excitoniques par rapport aux résonances plasmoniques et de type Mie qui sont à la fois plus difficiles à régler et à supprimer.

Les chercheurs ont ensuite capitalisé sur la grande accordabilité des résonances des excitons pour contrôler l'intensité dans la tache focale d'une lentille. Ils ont mesuré expérimentalement la puissance dans le foyer en fonction de la longueur d'onde normalisée à la puissance incidente sur la lentille de la plaque zonale pour comprendre le spectre d'efficacité de la focalisation. Les résultats ont indiqué que la diffusion de la lumière excitonique focalisée dominait la transmission directe du substrat. Lorsque l'équipe a appliqué une polarisation de grille de 3 volts au WS 2 /l'hétérostructure du graphène pour supprimer la résonance des excitons, ils ont observé une suppression complète de la ligne excitonique asymétrique. Puis en utilisant la commutation réversible de la résonance des excitons, ils ont restauré l'état de résonance neutre.

Les résultats étaient cohérents avec l'observation d'un rétrécissement de la largeur de raie dans les mesures de réflexion sur les dispositifs patch. L'efficacité de focalisation mesurée était relativement faible et limitée en raison de la qualité relativement faible du matériau du WS commercial 2 . Par exemple, monocouches encapsulées de haute qualité de diséléniure de molybdène en petits flocons (MOSe 2 ) peut atteindre une réflectance optique jusqu'à 80 pour cent. Les scientifiques peuvent donc améliorer la croissance sur de grandes surfaces de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) monocouches de haute qualité tels que le WS 2 pour améliorer fortement les efficacités de focalisation.

L'équipe de recherche a mené à température ambiante, manipulation active sur grande surface de la résonance des excitons pour démontrer le contrôle dynamique de l'intensité lumineuse dans le foyer de la lentille de la plaque de zone de matériau 2D. Ils ont basculé de manière reproductible entre les états dominés par les excitons et les états désactivés par les excitons pour accomplir un contrôle actif sur l'amplitude de diffusion de la lumière excitonique. Le temps de réponse et l'asymétrie dans l'installation résultaient de la formation d'un complexe limité par le transport ionique et du désassemblage de la double couche électrique ionique-liquide. Par conséquent, les scientifiques proposent de mettre en œuvre des schémas de déclenchement à l'état solide au lieu d'un déclenchement ionique-liquide pour augmenter le temps de réponse de l'appareil par plusieurs ordres de grandeur, qui est actuellement limité en raison de problèmes de fabrication.

De cette façon, Jorik van de Groep et ses collègues ont démontré l'importance des résonances des matériaux excitoniques pour faire fonctionner des lentilles optiques atomiquement minces. Ils envisagent que des schémas de déclenchement plus avancés avec des électrodes de déclenchement locales et entrelacées faciliteront les dispositifs optiques excitoniques avec des fonctionnalités plus complexes telles que les distances focales accordables ou la direction du faisceau. Le travail ouvre une toute nouvelle approche pour concevoir des optiques plates dynamiques et des métasurfaces pour des applications dans la prise de faisceau en espace libre, manipulation de front d'onde et en réalité augmentée/virtuelle.

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