Le montage expérimental dans le laboratoire laser du professeur Eric Mazur à Harvard. À l'aide de lasers femtosecondes, Mazur et ses collègues ont développé un nouveau processus de nanofabrication à utiliser dans la création de métamatériaux. Crédit :Eliza Grinnell, MER de Harvard
Les chercheurs en physique appliquée ont franchi un obstacle important dans le développement de matériaux avancés, appelés métamatériaux, qui courbent la lumière de manière inhabituelle.
Travailler à une échelle applicable à la lumière infrarouge, l'équipe de Harvard a utilisé des impulsions laser extrêmement courtes et puissantes pour créer des motifs tridimensionnels de minuscules points argentés dans un matériau. Ces points métalliques suspendus sont essentiels pour construire des appareils futuristes comme des capes d'invisibilité.
Le nouveau procédé de fabrication, décrit dans le journal Lettres de physique appliquée , fait progresser la lithographie métallique à l'échelle nanométrique en trois dimensions et le fait à une résolution suffisamment élevée pour être pratique pour les métamatériaux.
"Si vous voulez un métamatériau en vrac pour la lumière visible et infrarouge, vous devez intégrer des particules d'argent ou d'or à l'intérieur d'un diélectrique, et vous devez le faire en 3D, avec une haute résolution, " dit l'auteur principal Kevin Vora, un étudiant diplômé de la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).
"Ce travail démontre que l'on peut créer des points argentés déconnectés en x, oui, et z, " dit Vora. " Il n'y a pas d'autre technique qui te permette de faire ça. Être capable de créer des motifs de nanostructures en 3D est un très grand pas vers l'objectif de fabriquer des métamatériaux en vrac."
Une nouvelle technique de fabrication au laser développée à Harvard permet la création de nanoparticules d'argent arrangées avec précision qui sont déconnectées en 3-D et supportées par une matrice polymère. La nouvelle technique peut s'avérer critique dans le développement de métamatériaux. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de Kevin Vora
Vora travaille dans le laboratoire d'Eric Mazur, Balkanski Professeur de physique et de physique appliquée à SEAS. Depuis des décennies, Mazur a utilisé un équipement appelé laser femtoseconde pour étudier à quel point la concentration, de puissants éclats de lumière peuvent modifier l'électricité, optique, et les propriétés physiques d'un matériau.
Lorsqu'un laser conventionnel éclaire un matériau transparent, la lumière passe à travers, avec une légère réfraction. Le laser femtoseconde est particulier car il émet une salve de photons aussi brillants que la surface du soleil en un éclair d'une durée de seulement 50 quadrillionièmes (5 × 10 -14 ) d'une seconde. Au lieu de briller à travers la matière, cette énergie est piégée en elle, exciter les électrons dans le matériau et réaliser un phénomène connu sous le nom d'absorption non linéaire.
À l'intérieur de la poche où cette énergie est piégée, une réaction chimique peut avoir lieu, altérer de façon permanente la structure interne du matériau. Le procédé a déjà été exploité pour la nanofabrication métallique 2D et 3D simple.
"Normalement, quand les gens utilisent des lasers femtosecondes dans la fabrication, ils créent une structure de pile de bois :quelque chose empilé sur autre chose, être soutenu par autre chose, " explique Mazur.
"Si vous voulez faire un tableau de points argentés, cependant, ils ne peuvent pas flotter dans l'espace."
Dans le nouveau processus, Vora, Mazur, et leurs collègues combinent le nitrate d'argent, l'eau, et un polymère appelé PVP dans une solution, qu'ils cuisent sur une lame de verre. Le polymère solide contient alors des ions d'argent, qui sont photoréduits par les impulsions laser étroitement focalisées pour former des nanocristaux d'argent métallique, supporté par la matrice polymère.
Le besoin de cette combinaison particulière de produits chimiques, aux bonnes concentrations, n'était pas évident dans les travaux antérieurs. Les chercheurs associent parfois du nitrate d'argent à de l'eau pour créer des nanostructures d'argent, mais ce processus ne fournit aucun support structurel pour un modèle 3D. Un autre procédé combine le nitrate d'argent, l'eau, JcJ, et l'éthanol, mais les échantillons s'assombrissent et se dégradent très rapidement en produisant des cristaux d'argent dans tout le polymère.
Avec de l'éthanol, la réaction se produit trop rapidement et de manière incontrôlable. L'équipe de Mazur avait besoin de cristaux nanométriques, précisément distribués et isolés en 3D.
"Il s'agissait juste d'enlever ce réactif, et nous avons eu de la chance, " dit Vora. "Ce qui était le plus surprenant, c'est à quel point c'est simple. Il s'agissait d'en utiliser moins."
