Une équipe de chercheurs de l'institut néerlandais AMOLF, Université Western (Canada), et l'Université du Texas (États-Unis d'Amérique) a récemment démontré l'utilisation de la conception algorithmique pour créer un nouveau type de structure nanophotonique. C'est une bonne nouvelle pour les chercheurs en informatique quantique optique et photovoltaïque, car la structure améliore grandement la directivité des émetteurs nanométriques (dans les diodes électroluminescentes, ou sources de photons uniques) et des absorbeurs (dans des cellules solaires ou des photodétecteurs). Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans Communication Nature le 9 novembre, 2018.

La directivité décrit le rapport entre l'émission lumineuse dans une direction particulière et le total dans toutes les autres directions. Il est souvent utile pour les émetteurs d'avoir une directivité élevée afin que tous les photons créés par une source nanométrique puissent être collectés ailleurs. Ceci est particulièrement utile dans les applications d'informatique quantique optique dans lesquelles la collecte à partir d'émetteurs de photons uniques s'avère difficile.

Par ailleurs, l'amélioration de la directivité est également bénéfique pour les dispositifs photovoltaïques à l'échelle nanométrique ; coupler le matériau absorbant actif dans les cellules solaires exclusivement avec le soleil peut améliorer considérablement la tension photovoltaïque. Cela peut être compris par une analogie - lors du chauffage d'un matériau avec la lumière du soleil, il fera plus chaud lorsqu'il n'échangera que de l'énergie avec le soleil, et pas avec l'environnement environnant relativement plus froid.

Directivité à l'échelle nanométrique

Alors que la directivité est une propriété très avantageuse pour les émetteurs et les absorbeurs, l'augmenter pour les dispositifs nanométriques peut être difficile. A de si petites échelles de longueur, la lumière se comporte à la fois comme une particule et comme une onde, compliquer la conception de structures avec des caractéristiques de sous-longueur d'onde au point que l'intuition de la performance d'un élément optique est extrêmement limitée. La conception de structures à l'aide d'algorithmes résout ce problème, permettant aux simulations optiques pleine onde de dicter pleinement la géométrie de l'objet nanophotonique. L'équipe de recherche a utilisé un algorithme évolutif, pour créer plusieurs générations de structures aux performances croissantes. Il en a résulté des valeurs de directivité dépassant de plus d'un facteur trois celles des structures classiques telles que les lentilles sphériques.

Pour démontrer la faisabilité de ces structures, un dispositif de preuve de concept a été fabriqué expérimentalement. Ce dispositif impliquait l'impression d'une structure de nanolentille au-dessus d'un nanofil d'arséniure de gallium à l'aide d'une technique laser pulsée femtoseconde. De tels nanofils de GaAs ont été utilisés pour leur pertinence dans les dispositifs photovoltaïques, tout en fournissant également un système de test pratique en raison de leur efficacité quantique élevée (nombre de photons sortant par photon entrant).

Alors que les nanolentilles ont considérablement amélioré la directivité des émetteurs de nanofils, les performances observées étaient encore inférieures à ce que la conception informatique avait prédit. Cependant, en incluant un petit décalage entre le centre d'émission et le centre de la lentille, de nouvelles simulations ont pu reproduire le comportement observé. Ce décalage s'est probablement produit dans les échantillons expérimentaux, comme les nanofils émettent primaire à partir d'une petite région près d'une de leurs extrémités (correspondant à la position de la jonction de diode interne dans le fil). La difficulté à s'aligner sur cet emplacement d'émission s'est avérée être la plus grande limitation des performances observées, suivi du fait que cette émission provenait toujours d'une région finie (pas un seul point, comme supposé dans les simulations de conception). Cela indique que le passage à des structures émettrices ou absorbantes plus confinées pourrait facilement remédier à ces deux sources de diminution des performances, et offrent un comportement encore plus directif sans avoir besoin de changer la lentille ou les techniques de fabrication.