Une vue artistique d'une résonance magnétique dipolaire dans une sphère diélectrique à indice de réfraction élevé. Crédit :Réimprimé avec la permission de l'AAAS
La lumière se comporte de manière plutôt apprivoisée et prévisible lorsqu'elle interagit avec des objets du quotidien :elle se déplace en ligne droite, rebondit lorsqu'il touche des surfaces brillantes, et se plie par les lentilles. Mais des choses étranges et merveilleuses commencent à se produire lorsque la lumière interagit avec de très petits objets. Nanoparticules, par exemple, qui sont des collections d'atomes aussi petits qu'un virus, peut servir de mini-antennes, et les petits disques de silicium peuvent déclencher d'étranges « modes » de lumière qui rendent les disques invisibles.
Un nouveau domaine de l'optique a émergé ces dernières années pour étudier ces phénomènes étranges. "Nanophotonique, une branche de l'optique traitant de la lumière aux dimensions nanométriques, est devenu un sujet de recherche brûlant au cours de la dernière décennie, " note Arseniy Kuznetsov du A*STAR Data Storage Institute. " Il est très prometteur pour diverses nouvelles applications, allant de la transmission d'informations à haute vitesse et des technologies d'affichage holographique à la bio-imagerie et au séquençage du génome. » L'équipe de Kuznetsov dirige les développements dans un sous-domaine de la nanophotonique, ce qui pourrait assurer sa large application pratique.
Lumière sur de minuscules écailles
Traditionnellement, la nanophotonique s'est concentrée sur de minuscules structures métalliques telles que les nanoparticules d'or et d'argent. Le champ électrique oscillant de la lumière fait osciller collectivement les électrons libres dans les métaux. A certaines tailles de particules, cela peut donner lieu à un effet connu sous le nom de résonance plasmonique de surface. La résonance est un phénomène général dans lequel un système présente une réponse beaucoup plus grande à certaines fréquences, par exemple, un chanteur d'opéra peut faire éclater un verre de vin en chantant à la hauteur à laquelle il résonne. La résonance des plasmons de surface fait référence à l'effet de résonance spécifique produit par les plasmons de surface, qui sont un ensemble d'oscillations chargées, dont l'étude est connue sous le nom de nanoplasmonique. Bien qu'il s'agisse d'un tout nouveau domaine de recherche, Les effets nanoplasmoniques sont exploités depuis des siècles :les vitraux des cathédrales médiévales doivent leur couleur aux plasmons de surface excités dans des nanoparticules métalliques incrustées dans le verre.
Malgré les attentes élevées pour la nanoplasmonique dans des domaines tels que les technologies de l'information, Sécurité, énergie, stockage de données haute densité et sciences de la vie, il a donné lieu à relativement peu d'applications pratiques. L'une des raisons de ce résultat décevant est que les nanostructures métalliques perdent beaucoup de lumière par absorption. « Une compréhension plus approfondie de ces résonances a permis de comprendre de manière générale les inconvénients majeurs liés aux inévitables pertes élevées dans les nanostructures métalliques résonantes, " commente Kuznetsov. De plus, les métaux couramment utilisés pour la plasmonique tels que l'argent et l'or sont incompatibles avec les procédés standards de fabrication de composants semi-conducteurs, les rendant difficiles à produire.
Illustration des propriétés de nanoantenne d'une seule nanoparticule de silicium diffusant différentes longueurs d'onde de lumière (couleurs) dans différentes directions. Crédit :Réimprimé avec la permission de l'AAAS
Une révolution tranquille
Mais maintenant, une révolution tranquille est en cours dans ce domaine. L'accent s'éloigne des métaux et vers des matériaux électriquement isolants et partiellement isolants appelés diélectriques et semi-conducteurs, qui sont «optiquement denses», de sorte que la lumière y circule considérablement plus lentement que dans l'air. Des exemples de tels matériaux comprennent les semi-conducteurs silicium, l'arséniure de germanium et de gallium, et le dioxyde de titane.
« Le passage des métaux aux diélectriques est déjà en cours, ", explique Kuznetsov. "De nombreuses équipes de pointe en plasmonique ont déjà commencé à travailler avec des nanostructures diélectriques résonantes."
Bien qu'encore à ses balbutiements, la transition a révélé de nombreux avantages. "Après les démonstrations de résonances dans les nanoparticules diélectriques en 2012, le terrain a décollé, " dit Kuznetsov. " De nombreux avantages par rapport à la plasmonique conventionnelle ont maintenant été trouvés. "
Ouvrir la voie
Kuznetsov et son équipe chez A*STAR sont à l'avant-garde de cette révolution. Ils utilisent une approche à trois volets. "Dans de nombreux cas, nous générons un concept théorique, le montrer dans des simulations, puis le démontrer expérimentalement. Cependant, parfois le processus inverse se produit - des observations expérimentales inattendues conduisent à l'élaboration d'une théorie pour fournir leur compréhension physique, " explique Kouznetsov.
Les membres de l'équipe ont réalisé des premières remarquables dans ce jeune domaine. Le physicien Boris Luk'yanchuk a lancé le bal en 2010 lorsque lui et ses collègues en Allemagne ont publié un article fondateur montrant que, théoriquement, les nanoparticules de silicium avec des tailles allant de 100 à 200 nanomètres pourraient avoir à la fois de fortes résonances électriques et magnétiques aux fréquences de la lumière visible, une alternative à faible perte aux nanostructures plasmoniques. Dans un article ultérieur, Luk'yanchuk, avec des chercheurs australiens, proposé de nouvelles structures hybrides métal-diélectrique où la lumière pourrait se propager en raison des interactions des moments magnétiques, ce qui n'est pas possible dans les chaînes de particules métalliques. Enfin en 2015, le groupe A*STAR a montré que des types similaires d'interactions de moments magnétiques induites optiquement existent dans des chaînes de particules de silicium. "De telles interactions magnétiques de particules de silicium peuvent surpasser de loin les guides d'ondes basés sur la plasmonique et la photonique sur silicium conventionnelle, " dit Luk'yanchuk.
Une vue artistique d'une métasurface diélectrique, un réseau phasé de nanoantennes diélectriques, contrôler les propriétés (phase et amplitude) de la lumière. Crédit :Réimprimé avec la permission de l'AAAS
Luk'yanchuk, Kuznetsov et leur équipe ont démontré expérimentalement ces résonances dans des nanoparticules de silicium. L'équipe a également été la première à montrer expérimentalement une diffusion directionnelle unique de la lumière par des nanoparticules de silicium, ce qui démontre leurs propriétés prometteuses de nanoantenne. Et les chercheurs ont été les premiers à montrer expérimentalement une forte amélioration des champs électriques et magnétiques de la lumière à proximité d'antennes diélectriques constituées de deux nanoparticules de silicium placées très près l'une de l'autre6.
Selon Google Scholar, les articles décrivant ces résultats ont été cités plus de 1, 000 fois, reflétant l'énorme impact que le travail de l'équipe a eu sur le terrain. Telle est leur réputation dans ce domaine qu'une récente revue qu'ils ont rédigée sur le domaine émergent a été publiée dans la prestigieuse revue Science .
Dans une étude de 2015, l'équipe, avec des chercheurs d'Australie et d'Allemagne, ont démontré expérimentalement un effet optique très inhabituel dans des disques nanométriques de silicium—des modèles de rayonnement qui n'émettent ni ne diffusent la lumière8. De tels modes de rayonnement pourraient être utilisés pour produire de minuscules lasers à l'échelle nanométrique. L'équipe a également montré comment des matrices de tels disques de silicium peuvent contrôler avec précision la phase et l'amplitude de la lumière, le forçant à se plier, se concentrer, ou créer des images holographiques haute résolution.
En 2016, l'Institut de physique de Singapour a décerné à Luk'yanchuk le prix mondial de la recherche en physique scientifique et la médaille d'or pour ses contributions exceptionnelles à la recherche en physique dans le pays. Cette même année, Kuznetsov a été choisi comme récipiendaire du prix de recherche en ingénierie A F Harvey de l'Institution of Engineering and Technology pour « ses contributions exceptionnelles dans le domaine des lasers et de l'optoélectronique et ses recherches pionnières sur une nouvelle branche de la nanophotonique :les nanostructures diélectriques optiquement résonantes et les nanoantennes diélectriques ».
Un brillant avenir
L'équipe est enthousiasmée par le potentiel des nanostructures diélectriques. "Nous espérons que les nanostructures diélectriques résonantes donneront enfin lieu à des applications réelles de la nanophotonique résonante, " dit Kuznetsov. Ils prévoient que de nombreux domaines technologiques pourraient être fortement affectés par ce développement.
« Des écrans holographiques tridimensionnels pour smartphones et des dispositifs de réalité virtuelle et augmentée haute résolution pourraient être développés à partir de nanoantennes diélectriques. Des substrats contenant des nanoparticules diélectriques résonantes pourraient rendre la bio-imagerie et le séquençage du génome plus efficaces et plus rapides. Et des ordinateurs rapides basés sur la lumière peuvent apparaître avec composants de nanoparticules diélectriques résonnantes à l'intérieur, " dit Kuznetsov. " Certaines de ces applications nouvelles et étonnantes pourraient devenir réalité dans les 5 à 8 prochaines années, " prédit-il. Alors que la lumière peut être prévisible à grande échelle, l'avenir est loin d'être apprivoisé pour cette technologie émergente.
