Les ingénieurs électriciens de l'Université Duke ont découvert que la modification de la forme physique d'une classe de matériaux couramment utilisés en électronique et en photonique infrarouge proche et moyen (les verres chalcogénures) peut étendre leur utilisation aux parties visible et ultraviolette du spectre électromagnétique. Déjà utilisé commercialement dans les détecteurs, lentilles et fibres optiques, les verres au chalcogénure peuvent désormais trouver leur place dans des applications telles que les communications sous-marines, surveillance environnementale et imagerie biologique.

Les résultats paraissent en ligne le 5 octobre dans la revue Communications naturelles.

Comme le nom l'indique, les verres chalcogénures contiennent un ou plusieurs chalcogènes, éléments chimiques tels que le soufre, sélénium et tellure. Mais il y a un membre de la famille qu'ils laissent de côté :l'oxygène. Leurs propriétés matérielles en font un choix judicieux pour les applications électroniques avancées telles que la commutation optique, écriture laser directe ultra-petite (pensez à de minuscules CD réinscriptibles) et empreinte moléculaire. Mais parce qu'ils absorbent fortement les longueurs d'onde de la lumière dans les parties visible et ultraviolette du spectre électromagnétique, les verres à chalcogénure ont longtemps été limités au proche et moyen infrarouge en ce qui concerne leurs applications en photonique.

« Les chalcogénures sont utilisés depuis longtemps dans le proche et moyen IR, mais ils ont toujours eu cette limitation fondamentale d'être avec perte aux longueurs d'onde visibles et UV, " a déclaré Natalia Litchinitser, professeur de génie électrique et informatique à Duke. "Mais des recherches récentes sur la façon dont les nanostructures affectent la façon dont ces matériaux réagissent à la lumière ont indiqué qu'il pourrait y avoir un moyen de contourner ces limitations."

Dans des recherches théoriques récentes sur les propriétés de l'arséniure de gallium (GaAs), un semi-conducteur couramment utilisé en électronique, les collaborateurs de Litchinitser, Michael Scalora du CCDC Aviation and Missile Center de l'armée américaine et Maria Vincenti de l'Université de Brescia ont prédit que le GaAs nanostructuré pourrait réagir à la lumière différemment de ses homologues en vrac ou même en film mince. En raison de la façon dont les impulsions optiques de haute intensité interagissent avec le matériau nanostructuré, des fils très fins du matériau alignés les uns à côté des autres pourraient créer des fréquences harmoniques d'ordre supérieur (longueurs d'onde plus courtes) qui pourraient les traverser.

Imaginez une corde de guitare qui est réglée pour résonner à 256 Hertz, autrement appelée Do médian. Les chercheurs proposaient que si elle était fabriquée correctement, cette corde lorsqu'elle est pincée peut également vibrer à des fréquences d'une ou deux octaves plus élevées en petites quantités.

Litchinitser et son doctorat. L'étudiant Jiannan Gao a décidé de voir s'il en allait de même pour les verres au chalcogénure. Pour tester la théorie, Des collègues du Naval Research Laboratory ont déposé un film mince de 300 nanomètres de trisulfure d'arsenic sur un substrat de verre qui a ensuite été nanostructuré par lithographie par faisceau d'électrons et gravure ionique réactive pour produire des nanofils de trisulfure d'arsenic de 430 nanomètres de large et 625 nanomètres de distance.

Même si le trisulfure d'arsenic absorbe complètement la lumière au-dessus de 600 THz - à peu près la couleur du cyan - les chercheurs ont découvert que leurs nanofils transmettaient de minuscules signaux à 846 THz, qui est carrément dans le spectre ultraviolet.

"Nous avons découvert que l'éclairage d'une métasurface faite de nanofils judicieusement conçus avec une lumière proche infrarouge entraînait la génération et la transmission à la fois de la fréquence d'origine et de son troisième harmonique, ce qui était très inattendu car la troisième harmonique tombe dans la plage où le matériau devrait l'absorber, " a déclaré Litchinitser.

Ce résultat contre-intuitif est dû à l'effet de la génération de troisième harmonique non linéaire et à son « verrouillage de phase » avec la fréquence d'origine. "L'impulsion initiale piège la troisième harmonique et incite en quelque sorte le matériau à les laisser passer tous les deux sans aucune absorption, " a déclaré Litchinitser.

Avancer, Litchinitser et ses collègues travaillent pour voir s'ils peuvent concevoir différentes formes de chalcogénures capables de transporter ces signaux harmoniques encore mieux que les nanobandes initiales. Par exemple, ils croient que les paires de longues, mince, Des blocs de type Lego espacés de certaines distances pourraient créer un signal plus fort aux fréquences des troisième et deuxième harmoniques. Ils prédisent également que l'empilement de plusieurs couches de ces métasurfaces les unes sur les autres pourrait améliorer l'effet.

En cas de succès, l'approche pourrait débloquer un large éventail d'applications visibles et ultraviolettes pour les matériaux électroniques populaires et les matériaux photoniques dans l'infrarouge moyen qui ont longtemps été exclus de ces fréquences plus élevées.