Un schéma illustré illustre la structure et l'action d'une métasurface plasmonique à motifs nanométriques qui module la lumière polarisée à des fréquences térahertz. Une impulsion laser ultracourte (verte) excite des structures plasmoniques en forme de croix, qui font tourner la polarité d'une seconde impulsion lumineuse (blanche) qui arrive moins une picoseconde après la première. Crédit :A. Assié
Des ingénieurs américains et italiens ont démontré la première plate-forme nanophotonique capable de manipuler la lumière polarisée 1 000 milliards de fois par seconde.
"La lumière polarisée peut être utilisée pour coder des bits d'information, et nous avons montré qu'il est possible de moduler une telle lumière à des fréquences térahertz, " a déclaré Alessandro Alabastri de l'Université Rice, co-auteur d'une étude publiée cette semaine dans Photonique de la nature .
"Cela pourrait potentiellement être utilisé dans les communications sans fil, " dit Alabastri, professeur adjoint de génie électrique et informatique à la Brown School of Engineering de Rice. "Plus la fréquence de fonctionnement d'un signal est élevée, plus il peut transmettre des données rapidement. Un térahertz équivaut à 1, 000 gigahertz, qui est environ 25 fois plus élevée que les fréquences de fonctionnement des commutateurs de polarisation optique disponibles dans le commerce."
La recherche était une collaboration entre les équipes expérimentales et théoriques de Rice, l'Université polytechnique de Milan (Politecnico) et l'Institut italien de technologie (IIT) de Gênes. Cette collaboration a débuté à l'été 2017, lorsque le co-premier auteur de l'étude, Andrea Schirato, était chercheur invité au laboratoire Rice du physicien et co-auteur Peter Nordlander. Schirato est un étudiant diplômé conjoint Politecnico-IIT sous la supervision du co-auteur Giuseppe Della Valle de Politecnico et du co-auteur Remo Proietti Zaccaria de l'IIT.
Chacun des chercheurs travaille en nanophotonique, un domaine en pleine croissance qui utilise des ultrasmall, structures d'ingénierie pour manipuler la lumière. Leur idée pour le contrôle de la polarisation ultrarapide était de capitaliser sur de minuscules, variations fugaces dans la génération d'électrons de haute énergie dans une métasurface plasmonique.
Une image au microscope électronique à balayage de la métasurface plasmonique à nanomotifs que les ingénieurs de l'Université Rice, l'Université polytechnique de Milan et l'Institut italien de technologie créé pour moduler la lumière polarisée à des fréquences térahertz. Crédit :Andrea Toma/IIT
Les métasurfaces sont des films ou des feuilles ultraminces qui contiennent des nanoparticules intégrées qui interagissent avec la lumière lorsqu'elle traverse le film. En variant la taille, forme et constitution des nanoparticules incrustées et en les disposant en motifs géométriques bidimensionnels précis, les ingénieurs peuvent créer des métasurfaces qui divisent ou redirigent des longueurs d'onde de lumière spécifiques avec précision.
"Une chose qui différencie cela des autres approches est notre dépendance à un mécanisme à large bande intrinsèquement ultrarapide qui se déroule dans les nanoparticules plasmoniques, " a déclaré Alabastri.
L'équipe Rice-Politecnico-IIT a conçu une métasurface contenant des rangées de nanoparticules d'or en forme de croix. Chaque croix plasmonique mesurait environ 100 nanomètres de large et résonnait avec une fréquence de lumière spécifique qui a donné lieu à un champ électromagnétique localisé amélioré. Grâce à cet effet plasmonique, la métasurface de l'équipe était une plate-forme pour générer des électrons de haute énergie.
"Quand une impulsion de lumière laser frappe une nanoparticule plasmonique, il excite les électrons libres qu'il contient, élever certains à des niveaux d'énergie élevés qui sont hors d'équilibre, " dit Schirato. " Cela signifie que les électrons sont " inconfortables " et désireux de revenir à un état plus détendu. Ils reviennent à l'équilibre en très peu de temps, moins d'une picoseconde."
Malgré la disposition symétrique des croix dans la métasurface, l'état de non-équilibre a des propriétés asymétriques qui disparaissent lorsque le système revient à l'équilibre. Pour exploiter ce phénomène ultrarapide pour le contrôle de la polarisation, les chercheurs ont utilisé une configuration à deux lasers. Les expériences réalisées par la co-première auteure de l'étude Margherita Maiuri dans les laboratoires de spectroscopie ultrarapide du Politecnico - et confirmées par les prédictions théoriques de l'équipe - ont utilisé une impulsion ultracourte de lumière d'un laser pour exciter les croix, leur permettant de moduler la polarisation de la lumière dans une seconde impulsion qui est arrivée moins d'une picoseconde après la première.
"Le point clé est que nous pourrions réaliser le contrôle de la lumière avec la lumière elle-même, exploiter les mécanismes électroniques ultrarapides propres aux métasurfaces plasmoniques, " a déclaré Alabastri. " En concevant correctement nos nanostructures, nous avons démontré une nouvelle approche qui nous permettra potentiellement de transmettre optiquement des informations à large bande codées dans la polarisation de la lumière avec une vitesse sans précédent."
