Que ce soit en photosynthèse ou dans un système photovoltaïque :si vous voulez utiliser efficacement la lumière, vous devez l'absorber le plus complètement possible. Cependant, cela est difficile si l'absorption doit se faire dans une fine couche de matériau qui laisse normalement passer une grande partie de la lumière.

Maintenant, des équipes de recherche de TU Wien et de l'Université hébraïque de Jérusalem ont trouvé une astuce surprenante qui permet à un faisceau de lumière d'être complètement absorbé même dans les couches les plus fines :ils ont construit un "piège à lumière" autour de la couche mince à l'aide de miroirs et des lentilles, dans lesquelles le faisceau lumineux est dirigé en cercle puis superposé sur lui-même, exactement de telle sorte que le faisceau lumineux se bloque et ne peut plus quitter le système. Ainsi, la lumière n'a d'autre choix que d'être absorbée par la fine couche, il n'y a pas d'autre issue.

Cette méthode d'absorption-amplification, qui vient d'être présentée dans la revue scientifique Science , est le résultat d'une collaboration fructueuse entre les deux équipes :l'approche a été suggérée par le professeur Ori Katz de l'Université hébraïque de Jérusalem et conceptualisée avec le professeur Stefan Rotter de la TU Wien; l'expérience a été réalisée par l'équipe du laboratoire de Jérusalem et les calculs théoriques provenaient de l'équipe de Vienne.

Les couches minces sont transparentes à la lumière

"Il est facile d'absorber la lumière lorsqu'elle frappe un objet solide", explique le professeur Stefan Rotter de l'Institut de physique théorique de la TU Wien. "Un pull en laine noire épaisse peut facilement absorber la lumière. Mais dans de nombreuses applications techniques, vous ne disposez que d'une fine couche de matériau et vous souhaitez que la lumière soit absorbée exactement dans cette couche."

Il y a déjà eu des tentatives pour améliorer l'absorption des matériaux :Par exemple, le matériau peut être placé entre deux miroirs. La lumière est réfléchie dans les deux sens entre les deux miroirs, traversant à chaque fois la matière et ayant ainsi plus de chances d'être absorbée. Cependant, à cette fin, les miroirs ne doivent pas être parfaits - l'un d'eux doit être partiellement transparent, sinon la lumière ne peut pas du tout pénétrer dans la zone située entre les deux miroirs. Mais cela signifie également que chaque fois que la lumière frappe ce miroir partiellement transparent, une partie de la lumière est perdue.

La lumière se bloque

Pour éviter cela, il est possible d'utiliser les propriétés ondulatoires de la lumière de manière sophistiquée. "Dans notre approche, nous sommes en mesure d'annuler toutes les rétro-réflexions par interférence des ondes", explique le professeur Ori Katz de l'Université hébraïque de Jérusalem. Helmut Hörner, de TU Wien, qui a consacré sa thèse à ce sujet, explique :« Dans notre méthode aussi, la lumière tombe d'abord sur un miroir partiellement transparent. Si vous envoyez simplement un faisceau laser sur ce miroir, il est divisé en deux pièces :la plus grande partie est réfléchie, une plus petite partie pénètre dans le miroir."

Cette partie du faisceau lumineux qui pénètre dans le miroir est maintenant envoyée à travers la couche de matériau absorbant puis renvoyée vers le miroir partiellement transparent avec des lentilles et un autre miroir. "L'essentiel est que la longueur de ce trajet et la position des éléments optiques soient réglées de manière à ce que le faisceau lumineux renvoyé (et ses réflexions multiples entre les miroirs) annule exactement le faisceau lumineux réfléchi directement sur le premier miroir. ", disent Yevgeny Slobodkin et Gil Weinberg, les étudiants diplômés qui ont construit le système à Jérusalem.

Les deux faisceaux partiels se chevauchent de telle sorte que la lumière se bloque, pour ainsi dire :bien que le miroir partiellement transparent réfléchisse à lui seul une grande partie de la lumière, cette réflexion est rendue impossible par l'autre partie du faisceau traversant le système avant de retourner au miroir partiellement transparent.

Par conséquent, le miroir, qui était auparavant partiellement transparent, devient maintenant complètement transparent pour le faisceau laser incident. Cela crée une rue à sens unique pour la lumière :le faisceau lumineux peut entrer dans le système, mais il ne peut plus en sortir du fait de la superposition de la partie réfléchie et de la partie guidée à travers le système en cercle. Ainsi, la lumière n'a d'autre choix que d'être absorbée :la totalité du faisceau laser est engloutie par une fine couche qui, autrement, laisserait passer la majeure partie du faisceau.

Un phénomène robuste

"Le système doit être réglé exactement sur la longueur d'onde que vous souhaitez absorber", explique Stefan Rotter. "Mais à part cela, il n'y a pas d'exigences limitatives. Le faisceau laser n'a pas besoin d'avoir une forme spécifique, il peut être plus intense à certains endroits qu'à d'autres - une absorption presque parfaite est toujours obtenue."

Même les turbulences de l'air et les fluctuations de température ne peuvent pas endommager le mécanisme, comme l'ont montré des expériences menées à l'Université hébraïque de Jérusalem. Cela prouve qu'il s'agit d'un effet robuste qui promet un large éventail d'applications - par exemple, le mécanisme présenté pourrait même être bien adapté pour capturer parfaitement les signaux lumineux déformés lors de leur transmission à travers l'atmosphère terrestre. La nouvelle approche pourrait également être d'une grande utilité pratique pour alimenter de manière optimale des ondes lumineuses provenant de sources lumineuses faibles (telles que des étoiles lointaines) dans un détecteur. + Explorer plus loin

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