Une équipe de recherche internationale rapporte que la lumière confinée à l'échelle nanométrique ne se propage que dans des directions spécifiques le long de minces plaques de trioxyde de molybdène, un matériau 2D anisotrope naturel. Outre son caractère directionnel unique, cette nanolumière se propage pendant une durée exceptionnellement longue, et a donc des applications possibles dans le traitement du signal, la détection et la gestion de la chaleur à l'échelle nanométrique.

Les futures technologies de l'information et de la communication reposeront sur la manipulation non seulement des électrons mais aussi de la lumière à l'échelle nanométrique. Confiner la lumière à une si petite zone est un objectif majeur de la nanophotonique depuis de nombreuses années. Une stratégie réussie est l'utilisation de polaritons, qui sont des ondes électromagnétiques résultant du couplage de la lumière et de la matière. Une compression de lumière particulièrement forte peut être obtenue avec des polaritons à des fréquences infrarouges dans des matériaux 2D, comme le graphène et le nitrure de bore hexagonal. Les chercheurs ont obtenu des propriétés polaritoniques extraordinaires telles que le réglage électrique des polaritons de graphène avec ces matériaux, mais les polaritons se sont toujours avérés se propager dans toutes les directions de la surface matérielle, perdant ainsi rapidement de l'énergie, ce qui limite leur potentiel d'application.

Récemment, les chercheurs ont prédit que les polaritons peuvent se propager de manière anisotrope le long des surfaces de matériaux 2D dans lesquels les propriétés électroniques ou structurelles sont différentes dans différentes directions. Dans ce cas, la vitesse et la longueur d'onde des polaritons dépendent fortement de la direction dans laquelle ils se propagent. Cette propriété peut conduire à une propagation de polaritons hautement directionnelle sous forme de rayons confinés à l'échelle nanométrique, qui pourraient trouver des applications futures dans les domaines de la détection, la gestion de la chaleur et l'informatique quantique.

Maintenant, une équipe internationale dirigée par Qiaoliang Bao (Monash Engineering, Melbourne, Australie), Pablo Alonso-González (Université d'Oviedo, Espagne) et Rainer Hillenbrand (CIC nanoGUNE, Saint-Sébastien, Espagne) ont découvert des polaritons infrarouges ultra-confinés qui se propagent uniquement dans des directions spécifiques le long de plaques minces du matériau naturel bidimensionnel trioxyde de molybdène (α-MoO 3 ).

"Nous avons trouvé -MoO 3 être une plateforme unique pour la nanophotonique infrarouge, " dit Qiaoliang Bao.

"C'était incroyable de découvrir des polaritons sur notre α-MoO 3 de minces flocons ne voyageant que dans certaines directions, " dit Weiliang Ma, étudiant de troisième cycle et co-premier auteur.

"Jusqu'à maintenant, la propagation directionnelle des polaritons n'a été observée expérimentalement que dans des matériaux artificiellement structurés, où le confinement ultime du polariton est beaucoup plus difficile à atteindre que dans les matériaux naturels, " ajoute le co-premier auteur Shaojuan Li.

Outre la propagation directionnelle, l'étude a également révélé que les polaritons sur α-MoO 3 peut avoir une durée de vie extraordinairement longue. "La lumière semble prendre une autoroute à l'échelle nanométrique sur α-MoO 3 ; il se déplace dans certaines directions sans presque aucun obstacle, " dit Pablo Alonso-González, co-premier auteur de l'article. Il ajoute, "Nos mesures montrent que les polaritons sur α-MoO 3 vivre jusqu'à 20 picosecondes, qui est 40 fois plus grande que la meilleure durée de vie de polariton possible dans du graphène de haute qualité à température ambiante."

Parce que la longueur d'onde des polaritons est beaucoup plus petite que celle de la lumière, les chercheurs ont dû utiliser un microscope spécial, un microscope optique dit à champ proche, pour les imager. "La mise en place de cette technique a parfaitement coïncidé avec l'émergence de nouveaux matériaux van der Waals, permettant l'imagerie d'une variété de polaritons uniques et même inattendus au cours des dernières années, " ajoute Rainer Hillenbrand.

Pour une meilleure compréhension des résultats expérimentaux, les chercheurs ont développé une théorie qui leur a permis d'extraire la relation entre la quantité de mouvement des polaritons dans α-MoO 3 avec leur énergie. "Nous avons réalisé que la lumière comprimée dans α-MoO 3 peut devenir 'hyperbolique, " faire se propager l'énergie et les fronts d'onde dans différentes directions le long de la surface, ce qui peut conduire à des effets exotiques intéressants en optique tels que la réfraction négative ou la superlentille, " dit Alexey Nikitinof Donostia International Physics Center (DIPC), qui a développé la théorie en collaboration avec Javier Taboada-Gutiérrez et Javier Martín-Sánchez et des chercheurs postdoctoraux du groupe Alonso-Gonzalez.

Les travaux en cours ne sont que le début d'une série d'études axées sur le contrôle directionnel et la manipulation de la lumière à l'aide de polaritons à ultra-faible perte à l'échelle nanométrique, ce qui pourrait profiter au développement de dispositifs nanophotoniques plus efficaces pour la détection optique et le traitement du signal ou la gestion de la chaleur.