En disposant des disques d'or accordés optiquement dans un motif étroitement espacé, Les scientifiques de l'Université Rice ont créé des champs électriques intenses et amélioré les propriétés optiques non linéaires du système. Ici, un modèle informatique affiche les interactions plasmoniques qui donnent naissance aux champs intenses. Crédit :Yu Zhang/Université Rice
Les scientifiques de l'Université Rice ont dévoilé une nouvelle méthode robuste pour organiser les nanoparticules métalliques en motifs géométriques qui peuvent agir comme des processeurs optiques qui transforment les signaux lumineux entrants en sortie d'une couleur différente. La percée d'une équipe de physiciens théoriques et appliqués et d'ingénieurs du Laboratoire Rice pour la nanophotonique (LANP) est décrite cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .
L'équipe de Rice a utilisé la méthode pour créer un dispositif optique dans lequel la lumière entrante pourrait être directement contrôlée par la lumière via un processus connu sous le nom de "mélange à quatre ondes". Le mélange à quatre ondes a été largement étudié, mais la méthode de mise en forme du disque de Rice est la première à pouvoir produire des matériaux adaptés pour effectuer un mélange à quatre ondes avec une large gamme d'entrées et de sorties colorées.
« La polyvalence est un des avantages de ce procédé, " a déclaré Naomi Halas, co-auteur de l'étude, directeur du LANP et professeur Stanley C. Moore de Rice en génie électrique et informatique et professeur de génie biomédical, chimie, physique et astronomie. "Cela nous permet de mélanger les couleurs de manière très générale. Cela signifie non seulement que nous pouvons envoyer des faisceaux de deux couleurs différentes et en sortir une troisième couleur, mais nous pouvons affiner les arrangements pour créer des appareils adaptés pour accepter ou produire un large spectre de couleurs. »
Le traitement de l'information qui a lieu à l'intérieur des ordinateurs d'aujourd'hui, smartphones et tablettes est électronique. Chacun des milliards de transistors d'une puce informatique utilise des entrées électriques pour agir et modifier les signaux électriques qui la traversent. Le traitement de l'information avec de la lumière au lieu de l'électricité pourrait permettre des ordinateurs à la fois plus rapides et plus économes en énergie, mais la construction d'un ordinateur optique est compliquée par les règles quantiques auxquelles la lumière obéit.
Des physiciens et des ingénieurs du laboratoire Rice pour la nanophotonique ont dévoilé une nouvelle méthode robuste pour organiser les nanoparticules métalliques en motifs géométriques qui peuvent agir comme des processeurs optiques qui transforment les signaux lumineux entrants en sortie d'une couleur différente. Crédit :Yu Zhang/Université Rice
« Dans la plupart des cas, un faisceau de lumière n'interagira pas avec un autre, " a déclaré le physicien théoricien du LANP Peter Nordlander, co-auteur de la nouvelle étude. "Par exemple, si vous braquez une lampe de poche sur un mur et que vous croisez ce faisceau avec le faisceau d'une deuxième lampe de poche, ça n'aura pas d'importance. La lumière qui sort de la première lampe de poche passera à travers, indépendant de la lumière de la seconde.
"Cela change si la lumière voyage dans un" milieu non linéaire, "", a-t-il déclaré. "Les propriétés électromagnétiques d'un milieu non linéaire sont telles que la lumière d'un faisceau interagira avec un autre. Donc, si vous faites briller les deux lampes de poche à travers un support non linéaire, l'intensité du faisceau de la première lampe torche sera réduite proportionnellement à l'intensité du deuxième faisceau."
Les disques d'or réglés pour capturer l'énergie de deux faisceaux de lumière entrants peuvent produire une sortie d'une troisième couleur. Ici, une animation par ordinateur montre comment l'onde électromagnétique (rouge=positif, bleu =négatif) de la lumière entrante se propage à travers le système sous la forme d'une série d'ondes plasmoniques. Crédit :Yu-Rong Zhen/Université du riz
Les motifs des disques métalliques créés par les scientifiques du LANP pour le PNAS étude sont un type de média non linéaire. L'équipe a utilisé la lithographie par faisceau d'électrons pour graver des disques d'or en forme de rondelle qui ont été placés sur une surface transparente pour des tests optiques. Le diamètre de chaque disque était d'environ un millième de la largeur d'un cheveu humain. Chacun a été conçu pour récolter l'énergie d'une fréquence de lumière particulière; en disposant une douzaine de disques selon un motif rapproché, l'équipe a pu améliorer les propriétés non linéaires du système en créant des champs électriques intenses.
"Notre système exploite un effet plasmonique particulier appelé résonance de Fano pour augmenter l'efficacité de l'effet non linéaire relativement faible qui sous-tend le mélange à quatre ondes, " Nordlander a déclaré. " Le résultat est une augmentation de l'intensité de la troisième couleur de lumière que l'appareil produit. "
L'étudiant diplômé et co-auteur Yu-Rong Zhen a calculé l'arrangement précis de 12 disques qui seraient nécessaires pour produire deux résonances Fano cohérentes dans un seul appareil, et l'étudiant diplômé et co-auteur principal Yu Zhang a créé l'appareil qui a produit le mixage à quatre ondes, le premier matériel de ce type jamais créé.
"L'appareil créé par Zhang pour le mixage à quatre ondes est le plus efficace jamais produit à cet effet, mais la valeur de cette recherche va au-delà de la conception de cet appareil particulier, " dit Halas, qui a récemment été nommée membre de la National Academy of Sciences pour ses recherches pionnières en nanophotonique. "Les méthodes utilisées pour créer cet appareil peuvent être appliquées à la production d'une large gamme de supports non linéaires, chacun avec des propriétés optiques adaptées."
