Un groupe de scientifiques de l'Université ITMO de Saint-Pétersbourg a proposé une nouvelle approche pour une manipulation efficace de la lumière à l'échelle nanométrique basée sur des nanoantennes hybrides métal-diélectriques. La nouvelle technologie promet de créer une nouvelle plate-forme pour l'enregistrement de données optiques ultradenses et d'ouvrir la voie à la fabrication à haut débit d'une large gamme de nanodispositifs optiques capables de localiser, améliorer et manipuler la lumière à l'échelle nanométrique. Les résultats de l'étude ont été publiés dans Matériaux avancés .

Une nanoantenne est un appareil qui convertit la lumière se propageant librement en une lumière localisée compressée à plusieurs dizaines de nanomètres. La localisation permet aux scientifiques de contrôler efficacement la lumière à l'échelle nanométrique. C'est l'une des raisons pour lesquelles les nanoantennes pourraient devenir les éléments constitutifs fondamentaux des futurs ordinateurs optiques qui s'appuient sur des photons plutôt que sur des électrons pour traiter et transmettre des informations. Ce remplacement inévitable du support d'information est lié au fait que les photons surpassent les électrons de plusieurs ordres de grandeur en termes de capacité d'information, nécessitent moins d'énergie, exclure le chauffage du circuit et assurer un échange de données à grande vitesse.

Jusque récemment, la production de réseaux planaires de nanoantennes hybrides pour la manipulation de la lumière était considérée comme un processus extrêmement laborieux. Une solution à ce problème a été trouvée par des chercheurs de l'Université ITMO en collaboration avec des collègues de l'Université universitaire de Saint-Pétersbourg et de l'Institut commun pour les hautes températures de Moscou. Le groupe de recherche a pour la première fois développé une technique pour créer de tels réseaux de nanoantennes hybrides et pour un réglage très précis des nanoantennes individuelles au sein du réseau. La réalisation a été rendue possible en combinant par la suite deux étapes de production :la lithographie et l'exposition précise de l'ananoantenne à un laser femtoseconde, un laser à impulsion ultracourte.

Une application pratique des nanoantennes hybrides est l'enregistrement de données ultradenses. Les lecteurs optiques modernes peuvent enregistrer des informations avec une densité d'environ 10 Gbit/pouce2, ce qui équivaut à la taille d'un seul pixel de quelques centaines de nanomètres. Bien que de telles dimensions soient comparables à la taille des nanoantennes, les scientifiques proposent de contrôler en plus leur couleur dans le spectre visible. Cette procédure conduit à l'ajout d'une autre « dimension » pour l'enregistrement des données, ce qui augmente immédiatement toute la capacité de stockage de données du système.

Outre l'enregistrement de données ultradenses, la modification sélective des nanoantennes hybrides offre de nouveaux designs de métasurfaces hybrides, guides d'ondes et capteurs compacts pour la surveillance de l'environnement. Dans le futur proche, le groupe de recherche prévoit de se concentrer sur le développement de telles applications spécifiques de leurs nanoantennes hybrides.

Les nanoantennes sont constituées de deux composants :un cône de silicium tronqué avec un mince disque doré situé sur le dessus. Grâce au remodelage laser à l'échelle nanométrique, il est possible de modifier précisément la forme de la particule d'or sans affecter le cône de silicium. Le changement de forme de la particule d'or entraîne une modification des propriétés optiques de la nanoantenne dans son ensemble en raison de différents degrés de chevauchement de résonance entre les nanoparticules de silicium et d'or.

"Notre méthode ouvre la possibilité de changer progressivement les propriétés optiques des nanoantennes au moyen d'une fusion laser sélective des particules d'or. En fonction de l'intensité du faisceau laser, la particule dorée restera soit en forme de disque, se transformer en tasse ou devenir un globe. Une manipulation aussi précise nous permet d'obtenir une nanostructure hybride fonctionnelle avec les propriétés souhaitées en un clin d'œil, " dit Sergueï Makarov, l'un des auteurs de l'article et chercheur au Département de nanophotonique et métamatériaux de l'Université ITMO.

Contrairement à la fabrication conventionnelle de nano-antennes induite par la chaleur, la nouvelle méthode soulève la possibilité d'ajuster les nanoantennes individuelles au sein du réseau et d'exercer un contrôle précis sur les propriétés optiques des nanostructures hybrides.

« Notre concept de nanoantennes hybrides asymétriques unifie deux approches que l'on pensait auparavant mutuellement exclusives :la plasmonique et la nanophotonique entièrement diélectrique. Nos nanostructures hybrides ont hérité des avantages des deux approches :localisation et amélioration de la lumière à l'échelle nanométrique, de faibles pertes optiques et la possibilité de contrôler le modèle de puissance de diffusion. À son tour, l'utilisation du remodelage laser nous aide à modifier précisément et rapidement les propriétés optiques de telles structures et peut-être même à enregistrer des informations avec une densité extrêmement élevée, " dit Dmitri Zuev, auteur principal de l'étude et chercheur au Département de nanophotonique et métamatériaux de l'Université ITMO.