Les chercheurs de Berkeley Lab ont conçu une nouvelle classe d'appareils en forme de nœud papillon qui capturent, filtrer et diriger la lumière à l'échelle nanométrique. Ces appareils "nano-colorsorter" agissent comme des antennes pour focaliser et trier la lumière dans de minuscules espaces, une technique utile pour récolter la lumière à large bande pour les filtres et les détecteurs sensibles aux couleurs.

Actuellement, les fibres optiques utilisent la lumière pour transporter des données avec une bande passante très élevée, mais la technique se heurte à un obstacle car la lumière est comprimée dans des circuits photoniques de plus en plus petits. Ce barrage routier est la limite de diffraction - une restriction fondamentale dans la concentration des photons dans des régions plus petites que la moitié de leur longueur d'onde. En revanche, les appareils électroniques sont facilement façonnés à l'échelle nanométrique; cependant, le transfert électronique de données fonctionne à des fréquences très inférieures à celles de la fibre optique, avec une bande passante beaucoup plus faible, réduire la quantité de données transportées.

Une technologie récente, a inventé la « plasmonique, « entasse les ondes électromagnétiques dans des structures métalliques de dimensions bien inférieures à la longueur d'onde de la lumière pour transmettre des données à des fréquences optiques, marier les meilleurs aspects des communications optiques et électroniques. Une classe de structures particulièrement prometteuse pour améliorer cet effet d'encombrement sont les antennes optiques nanométriques en or, qui tirent parti du comportement plasmonique pour capturer et confiner efficacement la lumière dans des dimensions minuscules.

"Comme l'antenne de votre télé ou de votre radio, les nanoantennes optiques captent et concentrent efficacement l'énergie, mais les longueurs d'onde sont beaucoup plus petites, " dit Jim Schuck, un scientifique de la Molecular Foundry, une installation nationale d'utilisateurs du département de l'Énergie des États-Unis au Berkeley Lab qui fournit un soutien aux chercheurs en nanosciences du monde entier.

"Nous avons créé la première structure conçue et nanofabriquée pour la distribution de la lumière à l'échelle nanométrique qui peut expédier et manipuler des informations optiques ultra-confinées avec un bouton que vous pouvez facilement régler - l'énergie ou la couleur de la lumière, " dit Schuck, qui travaille dans l'installation d'imagerie et de manipulation de nanostructures de la fonderie.

Zhaoyu Zhang, chercheur post-doctorant en Fonderie Moléculaire, travailler avec Schuck et Stefano Cabrini, directeur de l'installation de nanofabrication, nanoantennes fabriquées à partir de quatre triangles équilatéraux d'or à motifs lithographiques pour créer une géométrie «croix».

Briser la symétrie de cet appareil en forme de croix affecte son mode de résonance principal - une propriété mieux illustrée par l'éclatement d'une flûte à champagne lorsqu'elle rencontre un ton musical de la bonne hauteur. Dans ces nanoantennes croisées, les modes de résonance correspondent à des fréquences différentes, ou couleurs, de la lumière.

"Nous pouvons maintenant contrôler les propriétés plasmoniques de ces dispositifs en introduisant l'asymétrie, et nous trouvons que la lumière rouge et bleue est littéralement envoyée à gauche et à droite, " dit Zhang. " En repoussant les limites de la manipulation de la lumière dans un plus petit volume, nous pouvons déplacer des informations à un endroit ou à un autre rapidement et efficacement, ce qui est important pour la rapidité, photodétection sensible aux couleurs. "

En effet, déplacer le nœud papillon aligné verticalement dans la nanoantenne croisée à seulement cinq nanomètres à gauche du centre génère deux modes de résonance, produisant un filtre bicolore. L'équipe a en outre démontré cet effet en brisant d'autres symétries des nœuds papillon, conduisant à un filtre à trois couleurs. Cette brisure de symétrie donne aux scientifiques la possibilité de "régler automatiquement" un appareil sur un ensemble souhaité de couleurs ou d'énergies, crucial pour les filtres et autres détecteurs. En utilisant les capacités de nanofabrication disponibles à la Fonderie, les scientifiques prévoient d'explorer l'ajustement de la taille, forme, et la position des nœuds papillon pour optimiser les propriétés de l'appareil. Par exemple, des milliers de nœuds papillon pourraient être emballés dans une zone de moins d'un millimètre de diamètre, permettant de grandes, mais ultrarapide, réseaux de détecteurs.

"Nos résultats donnent un aperçu du lien entre la brisure simple de la symétrie et les propriétés de couplage cohérent des plasmons localisés, fournir une voie pour l'ingénierie de dispositifs complexes qui peuvent contrôler la lumière dans des espaces extrêmement confinés, " ajoute Schuck.

Un article scientifique rapportant cette recherche intitulé "Manipulating nanoscale light fields with the asymmetric bowtie nano-colorsorter, " par Zhaoyu Zhang, Alexandre Weber-Bargioni, Shiwei Wu, Scott Dhuey, Stefano Cabrini et James Schuck, apparaît dans Nano Letters et est disponible dans Lettres nano en ligne.

Source :Lawrence Berkeley National Laboratory (actualité :web)