Quand un canard traverse un étang ou qu'un avion supersonique vole dans le ciel, il laisse un sillage sur son passage. Les sillages se produisent chaque fois que quelque chose traverse un milieu plus rapidement que les vagues qu'il crée - dans le cas du canard, les vagues de l'eau, dans le cas des ondes de choc de l'avion, autrement connu sous le nom de bangs soniques.

Les sillages peuvent exister partout où il y a des vagues, même si ces vagues sont légères. Alors que rien ne voyage plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide, la lumière n'est pas toujours dans le vide. Il est possible que quelque chose se déplace plus rapidement que la vitesse de phase de la lumière dans un milieu ou un matériau et génère un sillage. L'exemple le plus célèbre de ceci est le rayonnement Cherenkov, les sillages produits sous forme de charges électriques traversant les liquides plus rapidement que la vitesse de phase de la lumière, émettant un sillage bleu brillant.

Pour la première fois, Des chercheurs de Harvard ont créé des sillages similaires d'ondes lumineuses se déplaçant sur une surface métallique, appelés plasmons de surface, et démontré qu'ils peuvent être contrôlés et dirigés. La découverte, publié aujourd'hui dans la revue Nature Nanotechnologie , a été réalisé dans le laboratoire de Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et Vinton Hayes chercheur principal en génie électrique à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS).

"La capacité de contrôler la lumière est puissante, " a déclaré Capasso. "Notre compréhension de l'optique à l'échelle macro a conduit à des hologrammes, Google Glass et LED, pour ne citer que quelques technologies. La nano-optique est une partie importante de l'avenir de la nanotechnologie et cette recherche renforce notre capacité à contrôler et à exploiter la puissance de la lumière à l'échelle nanométrique. »

La création et le contrôle des sillages de plasmons de surface pourraient conduire à de nouveaux types de coupleurs et de lentilles plasmoniques qui pourraient créer des hologrammes bidimensionnels ou focaliser la lumière à l'échelle nanométrique.

Les plasmons de surface sont confinés à la surface d'un métal. Afin de créer des sillages à travers eux, L'équipe de Capasso a conçu une onde de charge plus rapide que la lumière le long d'un métamatériau unidimensionnel, comme un bateau à moteur traversant un lac à toute vitesse.

Le métamatériau, une nanostructure de fentes tournées gravées dans un film d'or, change la phase des plasmons de surface générés à chaque fente les uns par rapport aux autres, l'augmentation de la vitesse de l'onde en mouvement. La nanostructure agit également comme le gouvernail du bateau, permettant de diriger les sillages en contrôlant la vitesse de la vague en mouvement.

L'équipe a découvert que l'angle d'incidence de la lumière brillant sur le métamatériau fournit une mesure de contrôle supplémentaire et que l'utilisation de la lumière polarisée peut même inverser la direction du sillage par rapport à la vague en mouvement, comme un sillage se déplaçant dans la direction opposée d'un bateau. .

"Être capable de contrôler et de manipuler la lumière à des échelles beaucoup plus petites que la longueur d'onde de la lumière est très difficile, " a déclaré Daniel Wintz, auteur principal de l'article et étudiant diplômé du laboratoire Capasso. "Il est important que nous ayons non seulement observé ces sillages, mais que nous ayons trouvé de multiples façons de les contrôler et de les diriger."

L'observation elle-même était difficile, car "les plasmons de surface ne sont pas visibles à l'œil ou aux caméras, " a déclaré le co-auteur principal Antonio Ambrosio de SEAS et du Conseil italien de la recherche (CNR). " Afin de visualiser les sillages, nous avons utilisé une technique expérimentale qui force les plasmons de la surface, les collecte par fibre optique et enregistre l'image."

Ce travail pourrait représenter un nouveau banc d'essai pour la physique des sillages dans diverses disciplines. "Cette recherche aborde un problème de physique particulièrement élégant et innovant qui relie différents phénomènes physiques, des sillages d'eau aux bangs soniques, et le rayonnement Cherenkov, " dit Patrice Genevet, un auteur principal, anciennement de SEAS, actuellement affilié à l'Institut de technologie de fabrication de Singapour.