Des chercheurs en physique de l'Université de Bath au Royaume-Uni découvrent un nouvel effet physique lié aux interactions entre les matériaux légers et tordus, un effet susceptible d'avoir des implications pour les nouvelles nanotechnologies émergentes dans les communications, nanorobotique et composants optiques ultra-minces.

Aux XVIIe et XVIIIe siècles, le maître artisan italien Antonio Stradivari a produit des instruments de musique de qualité légendaire, et les plus célèbres sont ses (soi-disant) violons Stradivarius. Ce qui rend la production musicale de ces instruments de musique à la fois belle et unique, c'est leur timbre particulier, également connu sous le nom de couleur de ton ou de qualité de ton. Tous les instruments ont un timbre—quand une note musicale (son de fréquence fs) est jouée, l'instrument crée des harmoniques (fréquences qui sont un multiple entier de la fréquence initiale, c'est-à-dire 2fs, 3fs, 4fs, 5fs, 6fs, etc.).

De la même manière, quand la lumière d'une certaine couleur (avec la fréquence fc) brille sur les matériaux, ces matériaux peuvent produire des harmoniques (fréquences lumineuses 2fc, 3fc, 4fc, 5fc, 6fc, etc.). Les harmoniques de la lumière révèlent des propriétés matérielles complexes qui trouvent des applications en imagerie médicale, communication et technologie laser.

Par exemple, pratiquement chaque pointeur laser vert est en fait un pointeur laser infrarouge dont la lumière est invisible à l'œil humain. La lumière verte que nous voyons est en fait la deuxième harmonique (2fc) du pointeur laser infrarouge et elle est produite par un cristal spécial à l'intérieur du pointeur.

Tant dans les instruments de musique que dans les matériaux brillants, certaines fréquences sont « interdites », c'est-à-dire ils ne peuvent pas être entendus ou vus parce que l'instrument ou le matériel les annule activement. Parce que la clarinette a un droit, forme cylindrique, il supprime toutes les harmoniques paires (2fs, 4fs, 6fs, etc.) et ne produit que des harmoniques impaires (3fs, 5fs, 7fs, etc.). Par contre, un saxophone a une forme conique et incurvée qui permet toutes les harmoniques et se traduit par un son plus riche, son plus doux. Un peu pareil, lorsqu'un type particulier de lumière (à polarisation circulaire) éclaire des nanoparticules métalliques dispersées dans un liquide, les harmoniques impaires de la lumière ne peuvent pas se propager dans le sens du voyage de la lumière et les couleurs correspondantes sont interdites.

Maintenant, une équipe internationale de scientifiques dirigée par des chercheurs du Département de physique de l'Université de Bath a trouvé un moyen de révéler les couleurs interdites, équivalant à la découverte d'un nouvel effet physique. Pour arriver à ce résultat, ils ont « courbé » leur équipement expérimental.

Professeur Ventsislav Valev, qui a dirigé la recherche, a déclaré:"L'idée que la torsion des nanoparticules ou des molécules pourrait être révélée à travers même les harmoniques de la lumière a été formulée pour la première fois il y a plus de 42 ans, par un jeune docteur étudiant—David Andrews. David pensait que sa théorie était trop insaisissable pour être validée expérimentalement mais, il y a deux ans, nous avons démontré ce phénomène. Maintenant, nous avons découvert que la torsion des nanoparticules peut également être observée dans les harmoniques impaires de la lumière. Il est particulièrement gratifiant que la théorie pertinente ait été fournie par nul autre que notre co-auteur et aujourd'hui professeur bien établi, David Andrews !

"Pour prendre une analogie musicale, jusqu'à maintenant, scientifiques qui étudient les molécules torsadées (ADN, acides aminés, protéines, sucres, etc) et des nanoparticules dans l'eau - l'élément de la vie - les ont illuminés à une fréquence donnée et ont observé soit cette même fréquence, soit son bruit (harmoniques partielles inharmoniques). Notre étude ouvre l'étude des signatures harmoniques de ces molécules tordues. Donc, nous pouvons apprécier leur 'timbre' pour la première fois.

« D'un point de vue pratique, nos résultats offrent une méthode expérimentale conviviale pour parvenir à une compréhension sans précédent des interactions entre les matériaux légers et torsadés. De telles interactions sont au cœur des nouvelles nanotechnologies émergentes dans les communications, nanorobotique et composants optiques ultra-minces. Par exemple, la « torsion » des nanoparticules peut déterminer la valeur des bits d'information (pour la torsion à gauche ou à droite). Il est également présent dans les hélices des nanorobots et peut affecter la direction de propagation d'un faisceau laser. De plus, notre méthode est applicable dans de minuscules volumes d'éclairage, adapté à l'analyse de produits chimiques naturels prometteurs pour de nouveaux produits pharmaceutiques mais pour lesquels le matériel disponible est souvent rare.

doctorat étudiant Lukas Ohnoutek, également impliqué dans la recherche, a déclaré:"Nous avons failli rater cette découverte. Notre équipement initial n'était pas bien "réglé" et nous ne voyions donc rien à la troisième harmonique. Je commençais à perdre espoir mais nous avons eu une réunion, identifié les problèmes potentiels et les a étudiés systématiquement jusqu'à ce que nous découvrions le problème. C'est merveilleux d'expérimenter la méthode scientifique au travail, surtout quand cela conduit à une découverte scientifique !"

Le professeur Andrews a ajouté :« Le professeur Valev a dirigé une équipe internationale vers une véritable première dans le domaine de la photonique appliquée. Quand il a invité ma participation, cela m'a ramené à la théorie de mes études doctorales. Cela a été incroyable de le voir se concrétiser tant d'années plus tard."

La recherche est publiée dans la revue Examens laser et photonique.