Comprendre comment les ondes lumineuses oscillent dans le temps lorsqu'elles interagissent avec les matériaux est essentielle pour comprendre le transfert d'énergie induit par la lumière dans les matériaux, comme les cellules solaires ou les plantes. En raison des vitesses incroyablement élevées auxquelles les ondes lumineuses oscillent, cependant, les scientifiques doivent encore développer un appareil compact avec une résolution temporelle suffisante pour les capturer directement.

Maintenant, une équipe dirigée par des chercheurs du MIT a démontré des dispositifs à l'échelle d'une puce capables de tracer directement le faible champ électrique des ondes lumineuses au fur et à mesure qu'elles changent dans le temps. Leur appareil, qui intègre une puce qui utilise des impulsions laser courtes et des antennes nanométriques, est facile à utiliser, ne nécessitant aucun environnement particulier pour son fonctionnement, paramètres laser minimaux, et l'électronique de laboratoire conventionnelle.

Le travail de l'équipe, publié plus tôt ce mois-ci dans Photonique de la nature , peut permettre le développement de nouveaux outils de mesures optiques avec des applications dans des domaines tels que la biologie, Médicament, la sécurité alimentaire, détection de gaz, et la découverte de médicaments.

« Les applications potentielles de cette technologie sont nombreuses, " dit le co-auteur Phillip Donnie Keathley, chef de groupe et chercheur au Laboratoire de Recherche en Electronique (RLE). "Par exemple, à l'aide de ces dispositifs d'échantillonnage optique, les chercheurs pourront mieux comprendre les voies d'absorption optique dans les plantes et le photovoltaïque, ou pour mieux identifier les signatures moléculaires dans les systèmes biologiques complexes."

Les co-auteurs de Keathley sont l'auteur principal Mina Bionta, un post-doctorant senior chez RLE; Félix Ritzkowsky, un étudiant diplômé du Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) et de l'Université de Hambourg qui était un étudiant invité du MIT; et Marco Turchetti, un étudiant diplômé en RLE. L'équipe était dirigée par Keathley qui travaillait avec les professeurs Karl Berggren du département de génie électrique et informatique du MIT (EECS); Franz Kärtner de DESY et de l'Université de Hambourg en Allemagne; et William Putnam de l'Université de Californie à Davis. Les autres co-auteurs sont Yujia Yang, un ancien post-doctorant du MIT aujourd'hui à l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EFPL), et Dario Cattozzo Mor, un ancien étudiant invité.

L'ultrarapide rencontre l'ultra petit :le temps s'arrête à la tête d'une épingle

Les chercheurs ont longtemps cherché des méthodes pour mesurer les systèmes à mesure qu'ils évoluent dans le temps. Suivi des ondes gigahertz, comme ceux utilisés pour votre téléphone ou votre routeur Wi-Fi, nécessite une résolution temporelle inférieure à 1 nanoseconde (un milliardième de seconde). Pour suivre les ondes lumineuses visibles, il faut une résolution temporelle encore plus rapide, inférieure à 1 femtoseconde (un millionième de milliardième de seconde).

Les équipes de recherche du MIT et de DESY ont conçu une micropuce qui utilise de courtes impulsions laser pour créer des flashs électroniques extrêmement rapides aux extrémités des antennes nanométriques. Les antennes à l'échelle nanométrique sont conçues pour améliorer le champ de l'impulsion laser courte au point qu'elles sont suffisamment puissantes pour arracher les électrons de l'antenne, créant un flash électronique qui est rapidement déposé dans une électrode collectrice. Ces flashs électroniques sont extrêmement brefs, ne durant que quelques centaines d'attosecondes (quelques cent milliardièmes d'un milliardième de 1 seconde).

En utilisant ces flashs rapides, les chercheurs ont pu prendre des instantanés d'ondes lumineuses beaucoup plus faibles oscillant lorsqu'elles passaient devant la puce.

« Ce travail montre, une fois de plus, comment la fusion de la nanofabrication et de la physique ultrarapide peut conduire à des connaissances passionnantes et à de nouveaux outils de mesures ultrarapides, " dit le professeur Peter Hommelhoff, chaire de physique des lasers à l'Université d'Erlangen-Nuremberg, qui n'était pas lié à ce travail. "Tout cela est basé sur la compréhension profonde de la physique sous-jacente. Sur la base de cette recherche, nous pouvons maintenant mesurer des formes d'onde de champ ultrarapides d'impulsions laser très faibles."

La capacité de mesurer directement les ondes lumineuses dans le temps profitera à la fois à la science et à l'industrie, disent les chercheurs. Comme la lumière interagit avec les matériaux, ses ondes sont altérées dans le temps, laissant les signatures des molécules à l'intérieur. Cette technique d'échantillonnage de champ optique promet de capturer ces signatures avec une plus grande fidélité et sensibilité que les méthodes précédentes tout en utilisant une technologie compacte et intégrable nécessaire pour les applications du monde réel.

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.