Il existe de nombreux types de lumière, certaines visibles et d'autres invisibles à l'œil humain. Par exemple, nos yeux et notre cerveau n'ont pas les outils nécessaires pour traiter la lumière ultraviolette lorsqu'elle frappe nos yeux, le rendant invisible. Mais il existe un autre type de lumière qui est invisible simplement parce qu'elle n'atteint jamais nos yeux. Lorsque la lumière frappe certaines surfaces, une partie colle et reste derrière plutôt que d'être transmise ou dispersée. Ce type de lumière est appelé lumière de champ proche.

Aujourd'hui, la lumière en champ proche est principalement utilisée pour la microscopie à ultra-haute résolution, connu sous le nom de microscopes optiques à balayage en champ proche (NSOM). Cependant, la lumière en champ proche a également un potentiel inexploité pour la manipulation des particules, sentir, et les communications optiques. Mais comme la lumière en champ proche n'atteint pas nos yeux comme la lumière en champ lointain, les chercheurs n'ont pas développé une boîte à outils complète pour exploiter et manipuler le champ proche.

"Aujourd'hui, nous avons beaucoup d'outils et de techniques pour concevoir à quoi ressemble la lumière en champ lointain, " a déclaré Vincent Ginis, professeur invité à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). "Nous avons des lentilles, télescopes, prismes et hologrammes. Toutes ces choses nous permettent de sculpter la lumière se propageant librement dans l'espace."

Ginis est également professeur à l'Université Vrije de Bruxelles.

Maintenant, Les chercheurs de SEAS ont développé un système pour modeler la lumière en champ proche, ouvrant la porte à un contrôle sans précédent sur ce puissant, type de lumière largement inexploré. La recherche est publiée dans Science .

"Au cours des années, notre groupe a développé de nouvelles techniques puissantes pour structurer la propagation de la lumière à l'aide de métasurfaces à motifs sous-longueurs d'onde, " a déclaré Federico Capasso, le professeur Robert Wallace de physique appliquée et le chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique, et auteur principal de l'article. "Avec ce travail, nous montrons comment structurer le champ proche à distance, ouvrant des opportunités passionnantes dans le domaine de la science et de la technologie."

Afin de manipuler la lumière en champ proche, les chercheurs ont développé un dispositif dans lequel la lumière confinée à un guide d'ondes rebondit entre deux réflecteurs. Après chaque rebond, il change de mode, ce qui signifie qu'il se propage avec un modèle spatial différent. Avec plusieurs rebonds, ces motifs s'additionnent pour générer un profil d'intensité lumineuse complexe le long du guide d'ondes. La lumière de champ proche près de la surface du guide d'ondes change également. Lorsque tous les différents motifs de la lumière en champ proche se superposent, une forme spécifique est créée. Les chercheurs peuvent préprogrammer cette forme en adaptant l'amplitude des modes de la lumière rebondissante.

« La coexistence de tous ces modes peut être conçue pour créer à volonté des paysages de champ proche à la surface de l'appareil, " a déclaré Marco Piccardo, chercheur associé à SEAS et co-auteur de l'article. "La forme du paysage est déterminée par les propriétés combinées de la lumière en cascade."

"C'est un peu comme la musique, " dit Ginis. " La musique que vous entendez est la superposition de plusieurs notes ou modes assemblés en motifs conçus par le compositeur. Une note seule n'est pas beaucoup mais prise ensemble, vous pouvez générer n'importe quel type de musique. Tandis que la musique opère dans le temps, notre générateur de champ proche fonctionne dans un espace tridimensionnel et l'aspect intrigant supplémentaire de notre appareil est qu'une note génère l'autre."

Surtout, ce processus de moulage se fait à distance, ce qui signifie qu'aucune partie de l'appareil n'interagit directement avec la lumière en champ proche. Cela réduit les interférences, ce qui est important pour des applications telles que la manipulation de particules, et constitue un changement majeur par rapport aux méthodes locales actuelles de sculpture des champs proches, telles que la lumière brillante sur des pointes métalliques et des nanoparticules.

Pour démontrer leur conception, les chercheurs ont moulé la lumière en champ proche sous la forme d'un éléphant. Ou, plus précisement, un éléphant à l'intérieur d'un boa constrictor, un hommage au jeu des dimensions du classique Le Petit Prince d'Antoine de Saint-Exupéry.

Les chercheurs ont également façonné la lumière en une courbe, un plateau et une ligne droite.

"Cette recherche ouvre une nouvelle voie vers un contrôle tridimensionnel sans précédent de la lumière en champ proche, " a déclaré Capasso. "C'est un présage des découvertes passionnantes et des développements technologiques que j'attends de ce travail à l'avenir. "