Les lasers sont partout. Les appareils qui les utilisent transmettent des informations et permettent l'existence de communications longue distance et d'Internet ; ils aident les médecins à effectuer des interventions chirurgicales et les ingénieurs à fabriquer des outils et des technologies de pointe ; et au jour le jour, nous rencontrons des lasers lorsque nous scannons nos courses et regardons des DVD. "Au cours des quelque 60 années qui se sont écoulées depuis leur invention, les lasers ont complètement transformé nos vies", a déclaré Giulio Cerullo, chercheur en optique non linéaire au Politecnico di Milano en Italie.

Aujourd'hui, avec l'aide de nouvelles recherches de Cerullo et de collaborateurs de l'Université de Columbia publiées dans Nature Photonics , les appareils qui utilisent des lasers sont sur le point de devenir beaucoup plus petits.

Travaillant dans le laboratoire de l'ingénieur James Schuck à Columbia, Ph.D. l'étudiante Xinyi Xu et la postdoc Chiara Trovatello ont étudié un matériau 2D appelé disulfure de molybdène (MoS₂ ). Ils ont caractérisé l'efficacité des appareils construits à partir de piles de MoS₂ moins d'un micron d'épaisseur, soit 100 fois plus fin qu'un cheveu humain, convertit les fréquences lumineuses aux longueurs d'onde des télécommunications pour produire différentes couleurs.

Cette nouvelle recherche est une première étape vers le remplacement des matériaux standard utilisés dans les lasers accordables d'aujourd'hui, qui sont mesurés en millimètres et en centimètres, a déclaré Trovatello, qui a récemment terminé son doctorat. avec Cerullo à Milan. "L'optique non linéaire est actuellement un monde macroscopique, mais nous voulons le rendre microscopique", a-t-elle déclaré.

Les lasers émettent un type spécial de lumière cohérente, ce qui signifie que tous les photons du faisceau partagent la même fréquence et donc la même couleur. Les lasers fonctionnent uniquement à des fréquences spécifiques, mais les appareils doivent souvent pouvoir déployer différentes couleurs de lumière laser. Par exemple, un pointeur laser vert est en fait produit par un laser infrarouge qui est converti en une couleur visible par un matériau macroscopique. Les chercheurs utilisent des techniques optiques non linéaires pour modifier la couleur de la lumière laser, mais les matériaux utilisés de manière conventionnelle doivent être relativement épais pour que la conversion des couleurs se produise efficacement.

MoS₂ est l'un des exemples les plus étudiés d'une classe émergente de matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition, qui peuvent être pelés en couches atomiquement minces. Couches simples de MoS₂ peuvent convertir efficacement les fréquences lumineuses, mais sont en fait trop minces pour être utilisés pour construire des appareils. Gros cristaux de MoS_2, pendant ce temps, ont tendance à être plus stables sous une forme sans conversion de couleur. Pour fabriquer les cristaux nécessaires, appelés 3R-MoS₂ , l'équipe a travaillé avec le fournisseur commercial de matériaux 2D HQ Graphene.

Avec 3R-MoS₂ en main, Xu a commencé à décoller des échantillons d'épaisseur variable pour tester l'efficacité avec laquelle ils convertissaient la fréquence de la lumière. Tout de suite, les résultats ont été spectaculaires. "Il est rare qu'en science, vous commenciez un projet qui finit par fonctionner mieux que prévu - généralement, c'est le contraire. C'était un cas rare et magique", a fait remarquer Schuck. Habituellement, des capteurs spéciaux sont nécessaires pour enregistrer la lumière produite par un échantillon, et cela prend un certain temps pour le faire, a expliqué Xu. "Avec 3R-MoS₂ , nous avons pu voir l'amélioration extrêmement importante presque immédiatement », a-t-il déclaré. Notamment, l'équipe a enregistré ces conversions aux longueurs d'onde des télécommunications, une caractéristique clé pour les applications de communications optiques potentielles, telles que la fourniture de services Internet et de télévision.

Lors d'un heureux accident au cours d'un balayage, Xu s'est concentré sur un bord aléatoire d'un cristal et a vu des franges suggérant que des modes de guide d'ondes étaient présents à l'intérieur du matériau. Les modes de guide d'ondes conservent des photons de couleurs différentes, qui autrement se déplacent à des vitesses différentes à travers le cristal, en synchronisation, et peuvent éventuellement être utilisés pour générer des photons dits intriqués, un composant clé des applications d'optique quantique. L'équipe a remis ses appareils au laboratoire du physicien Dmitri Basov, où son postdoc Fabian Mooshammer a confirmé son intuition.

Actuellement, le cristal le plus populaire pour la conversion guidée par ondes et la génération de photons intriqués est le niobate de lithium, un matériau dur et rigide qui doit être assez épais pour obtenir des rendements de conversion utiles. 3R-MoS₂ est tout aussi efficace mais 100 fois plus petit et suffisamment flexible pour pouvoir être combiné avec des plateformes photoniques au silicium pour créer des circuits optiques sur puces, suivant la trajectoire d'une électronique toujours plus petite.

Avec ce résultat de preuve de concept, le goulot d'étranglement vers les applications réelles est la production à grande échelle de 3R-MoS₂ et la structuration à haut débit des dispositifs. Là, dit l'équipe, l'industrie devra prendre le relais. Avec ce travail, ils espèrent avoir démontré la promesse des matériaux 2D.

"Je travaille sur l'optique non linéaire depuis plus de trente ans maintenant. La recherche est le plus souvent progressive, s'appuyant lentement sur ce qui a précédé. Il est rare que vous fassiez quelque chose de complètement nouveau avec un grand potentiel", a déclaré Cerullo. "J'ai le sentiment que ce nouveau matériel pourrait changer le jeu." + Explorer plus loin

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