Polarisation, la direction dans laquelle vibre la lumière, est invisible à l'œil humain. Encore, une grande partie de notre monde optique repose sur le contrôle et la manipulation de cette qualité de lumière cachée.

Les matériaux capables de manipuler la polarisation de la lumière, appelés matériaux biréfringents, sont utilisés dans tout, des réveils numériques aux diagnostics médicaux, communication et astronomie.

Tout comme la polarisation de la lumière peut vibrer le long d'une ligne droite ou d'une ellipse, les matériaux peuvent également être biréfringents linéairement ou elliptiquement. Aujourd'hui, la plupart des matériaux biréfringents sont intrinsèquement linéaires, ce qui signifie qu'ils ne peuvent manipuler la polarisation de la lumière que de manière limitée. Si vous voulez réaliser une manipulation de polarisation large, vous devez empiler plusieurs matériaux biréfringents les uns sur les autres, rendant ces appareils encombrants et inefficaces.

Maintenant, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ont conçu une métasurface qui peut être réglée en continu de la biréfringence linéaire à la biréfringence elliptique, ouvrant tout l'espace de contrôle de polarisation avec un seul appareil. Cette métasurface unique peut opérer autant de matériaux biréfringents en parallèle, permettant une manipulation de polarisation plus compacte, qui pourraient avoir des applications de grande envergure en imagerie de polarisation, optique quantique, et d'autres domaines.

La recherche est publiée dans Avancées scientifiques .

"C'est un nouveau type de matériau biréfringent, " dit Zhujun Shi, un ancien étudiant diplômé de SEAS et premier auteur de l'article. "Nous sommes en mesure d'adapter le comportement de polarisation large d'un matériau au-delà de ce qui existe naturellement, qui a beaucoup d'avantages pratiques. Ce qui nécessitait auparavant trois composants biréfringents conventionnels séparés n'en prend plus qu'un".

"La capacité de manipuler une propriété fondamentale de la lumière comme la polarisation de manière totalement nouvelle avec un appareil compact et multifonctionnel aura des applications importantes pour l'optique quantique et les communications optiques, " a déclaré Federico Capasso, Robert L. Wallace, professeur de physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique à SEAS et auteur principal de l'article.

Les métasurfaces sont des réseaux de nanopiliers espacés de moins d'une longueur d'onde qui peuvent effectuer une gamme de tâches, y compris la manipulation de la phase, amplitude et polarisation de la lumière. Autrefois, Capasso et son équipe ont conçu ces surfaces très ordonnées à partir de zéro, en utilisant des formes géométriques simples avec seulement quelques paramètres de conception.

Dans cette recherche, cependant, l'équipe s'est tournée vers un nouveau type de technique de conception connue sous le nom d'optimisation topologique.

"L'optimisation topologique est une approche inverse, ", a déclaré Shi. "Vous commencez par ce que vous voulez que la métasurface fasse, puis vous permettez à l'algorithme d'explorer l'énorme espace des paramètres pour développer un modèle qui peut mieux fournir cette fonction."

Le résultat était surprenant. Au lieu de piliers rectangulaires soigneusement ordonnés debout comme des soldats de plomb, cette métasurface est composée de demi-cercles imbriqués qui rappellent des visages souriants tordus, plus comme quelque chose qu'un tout-petit dessinerait qu'un ordinateur.

Mais ces formes étranges ont ouvert un tout nouveau monde de biréfringence. Non seulement ils peuvent réaliser de larges manipulations de polarisation comme transformer la polarisation linéaire en n'importe quelle polarisation elliptique souhaitée, mais la polarisation peut également être réglée en changeant l'angle de la lumière entrante.

"Notre approche a un large éventail d'applications potentielles dans l'industrie et la recherche scientifique, y compris la correction d'aberration de polarisation dans les systèmes optiques avancés, " dit Capasso.