(PhysOrg.com) -- Des chercheurs ont montré comment des réseaux de minuscules « nanoantennes plasmoniques » sont capables de manipuler avec précision la lumière de nouvelles manières qui pourraient rendre possible une gamme d'innovations optiques telles que des microscopes plus puissants, télécommunications et informatique.

Les chercheurs de l'Université Purdue ont utilisé les nanoantennes pour modifier brusquement une propriété de la lumière appelée sa phase. La lumière est transmise sous forme d'ondes analogues aux vagues d'eau, qui ont des points hauts et bas. La phase définit ces points lumineux haut et bas.

"En changeant brusquement de phase, nous pouvons modifier considérablement la façon dont la lumière se propage, et cela ouvre la possibilité de nombreuses applications potentielles, " a déclaré Vladimir Chalaev, directeur scientifique de la nanophotonique au Birck Nanotechnology Center de Purdue et éminent professeur de génie électrique et informatique.

Les résultats sont décrits dans un article qui sera publié en ligne jeudi (22 décembre) dans la revue Science .

Les nouveaux travaux de Purdue étendent les découvertes des chercheurs dirigés par Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et le chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique à la Harvard School of Engineering and Applied Sciences. Dans ce travail, décrit dans un article de Science d'octobre, Des chercheurs de Harvard ont modifié la loi de Snell, une formule de longue date utilisée pour décrire comment la lumière se réfléchit et se réfracte, ou des virages, en passant d'un matériau à un autre.

"Ce qu'ils ont souligné était révolutionnaire, " a déclaré Shalaev.

Jusqu'à maintenant, La loi de Snell implique que lorsque la lumière passe d'un matériau à un autre, il n'y a pas de changements de phase brusques le long de l'interface entre les matériaux. chercheurs de Harvard, cependant, mené des expériences montrant que la phase de la lumière et la direction de propagation peuvent être modifiées de façon spectaculaire en utilisant de nouveaux types de structures appelées métamatériaux, qui dans ce cas étaient basés sur un réseau d'antennes.

Les chercheurs de Purdue ont poussé le travail un peu plus loin, créer des réseaux de nanoantennes et changer la phase et la direction de propagation de la lumière sur une large gamme de lumière proche infrarouge. L'article a été rédigé par les doctorants Xingjie Ni et Naresh K. Emani, chercheur principal Alexander V. Kildishev, professeur assistant Alexandra Boltasseva, et Chalaev.

La taille de longueur d'onde manipulée par les antennes dans l'expérience de Purdue varie de 1 à 1,9 microns.

"Le proche infrarouge, spécifiquement une longueur d'onde de 1,5 microns, est essentiel pour les télécommunications, " a déclaré Shalaev. " L'information est transmise à travers les fibres optiques en utilisant cette longueur d'onde, ce qui rend cette innovation potentiellement pratique pour les progrès des télécommunications. »

Les chercheurs de Harvard ont prédit comment modifier la loi de Snell et démontré le principe à une longueur d'onde.

"Nous avons étendu les applications de l'équipe de Harvard au proche infrarouge, ce qui est important, et nous avons également montré que ce n'est pas un effet de fréquence unique, c'est un effet très large bande, " a déclaré Shalaev. "Avoir un effet à large bande offre potentiellement une gamme d'applications technologiques."

L'innovation pourrait apporter des technologies pour orienter et façonner des faisceaux laser pour des applications militaires et de communication, nanocircuits pour ordinateurs qui utilisent la lumière pour traiter l'information, et de nouveaux types de lentilles puissantes pour microscopes.

La capacité de modifier la lumière afin qu'elle présente un comportement « anormal » est essentielle :notamment, il se plie de manière impossible avec des matériaux conventionnels en modifiant radicalement sa réfraction, un processus qui se produit sous forme d'ondes électromagnétiques, y compris la lumière, plier lors du passage d'un matériau à un autre.

Les scientifiques mesurent cette courbure du rayonnement par son « indice de réfraction ». La réfraction provoque l'effet bent-stick-in-water, qui se produit lorsqu'un bâton placé dans un verre d'eau apparaît courbé lorsqu'il est vu de l'extérieur. Chaque matériau a son propre indice de réfraction, qui décrit la quantité de lumière qui se pliera dans ce matériau particulier. Tous les matériaux naturels, comme le verre, air et eau, ont des indices de réfraction positifs.

Cependant, les réseaux de nanoantennes peuvent faire fléchir la lumière dans une large gamme d'angles, y compris des angles de réfraction négatifs.

" Surtout, une telle déviation dramatique de la loi de Snell conventionnelle régissant la réflexion et la réfraction se produit lorsque la lumière traverse des structures qui sont en réalité beaucoup plus minces que la largeur des longueurs d'onde de la lumière, ce qui n'est pas possible avec des matériaux naturels, " dit Shalaev. " Aussi, non seulement l'effet de flexion, réfraction, mais aussi la réflexion de la lumière peut être considérablement modifiée par les réseaux d'antennes sur l'interface, comme l'ont montré les expériences."

Les nanoantennes sont des structures en forme de V en or et formées au-dessus d'une couche de silicium. Ils sont un exemple de métamatériaux, qui comprennent généralement des structures dites plasmoniques qui conduisent des nuages ​​d'électrons appelés plasmons. Les antennes elles-mêmes ont une largeur de 40 nanomètres, ou des milliardièmes de mètre, et les chercheurs ont démontré qu'ils sont capables de transmettre la lumière à travers une « couche de nanoantenne plasmonique » ultrafine environ 50 fois plus petite que la longueur d'onde de la lumière qu'elle transmet.

"This ultrathin layer of plasmonic nanoantennas makes the phase of light change strongly and abruptly, causing light to change its propagation direction, as required by the momentum conservation for light passing through the interface between materials, " Shalaev said.