Quatre métalenses ultrafines développées par des chercheurs de l'Université de Washington et visualisées au microscope. Crédit :Liu et al., Nano lettres, 2018
En optique, l'ère des lentilles en verre est peut-être en train de s'essouffler.
Dans les années récentes, physiciens et ingénieurs ont conçu, construire et tester différents types de matériaux ultrafins qui pourraient remplacer les lentilles en verre épais utilisées aujourd'hui dans les caméras et les systèmes d'imagerie. De manière critique, ces lentilles techniques, appelées métalenses, ne sont pas en verre. Au lieu, ils sont constitués de matériaux construits à l'échelle nanométrique en réseaux de colonnes ou de structures en forme d'ailettes. Ces formations peuvent interagir avec la lumière entrante, le diriger vers un point focal unique à des fins d'imagerie.
Mais même si les lentilles métalliques sont beaucoup plus fines que les lentilles en verre, ils s'appuient toujours sur des structures "à rapport d'aspect élevé", dans lequel les structures en forme de colonne ou d'aileron sont beaucoup plus hautes que larges, les rendant susceptibles de s'effondrer et de tomber. Par ailleurs, ces structures ont toujours été proches de la longueur d'onde de la lumière avec laquelle elles interagissent en épaisseur, jusqu'à maintenant.
Dans un article publié le 8 octobre dans la revue Lettres nano , une équipe de l'Université de Washington et de l'Université nationale Tsing Hua de Taïwan a annoncé avoir construit des métalenses fonctionnelles d'un dixième à la moitié de l'épaisseur des longueurs d'onde de la lumière qu'elles focalisent. Leurs métalenses, qui ont été construits à partir de matériaux 2-D en couches, étaient aussi minces que 190 nanomètres - moins de 1/100, millièmes de pouce d'épaisseur.
"C'est la première fois que quelqu'un montre qu'il est possible de créer un métal à partir de matériaux 2D, " a déclaré l'auteur principal et co-correspondant Arka Majumdar, un professeur assistant UW de physique et de génie électrique et informatique.
Leurs principes de conception peuvent être utilisés pour la création de métalenses avec plus complexes, fonctionnalités réglables, ajouté Majumdar, qui est également chercheur universitaire au Molecular Engineering &Sciences Institute de l'UW.
Une lettre majuscule W imagée par trois prototypes différents de métalenses (A, B et C) en utilisant différents modèles mathématiques - à la fois sans (gauche) et avec (droite) post-traitement informatique. Crédit :Liu et al., Nano lettres, 2018
L'équipe de Majumdar étudie les principes de conception des métalenses depuis des années, et des métalenses précédemment construits pour l'imagerie en couleur. Mais le défi de ce projet était de surmonter une limitation de conception inhérente aux métalenses :pour qu'un matériau métalens puisse interagir avec la lumière et obtenir une qualité d'imagerie optimale, le matériau devait avoir à peu près la même épaisseur que la longueur d'onde de la lumière dans ce matériau. En termes mathématiques, cette restriction garantit qu'une plage de déphasage complète de zéro à deux pi est réalisable, ce qui garantit que tout élément optique peut être conçu. Par exemple, un métalens pour une onde lumineuse de 500 nanomètres - qui dans le spectre visuel est la lumière verte - devrait avoir une épaisseur d'environ 500 nanomètres, bien que cette épaisseur puisse diminuer à mesure que l'indice de réfraction du matériau augmente.
Majumdar et son équipe ont réussi à synthétiser des métalenses fonctionnelles beaucoup plus fines que cette limite théorique – un dixième à la moitié de la longueur d'onde. D'abord, ils ont construit les metalens à partir de feuilles de matériaux 2-D en couches. L'équipe a utilisé des matériaux 2-D largement étudiés tels que le nitrure de bore hexagonal et le bisulfure de molybdène. Une seule couche atomique de ces matériaux fournit un très faible déphasage, inadapté à un objectif efficace. L'équipe a donc utilisé plusieurs couches pour augmenter l'épaisseur, bien que l'épaisseur soit restée trop faible pour atteindre un déphasage complet de deux pi.
« Nous devions commencer par déterminer quel type de conception donnerait les meilleures performances compte tenu de la phase incomplète, " a déclaré le co-auteur Jiajiu Zheng, un doctorant en génie électrique et informatique.
Pour combler le manque à gagner, l'équipe a utilisé des modèles mathématiques initialement formulés pour l'optique à cristaux liquides. Ces, en conjonction avec les éléments structurels métalliques, a permis aux chercheurs d'atteindre un rendement élevé même si tout le déphasage n'est pas couvert. Ils ont testé l'efficacité des métalens en l'utilisant pour capturer différentes images de test, y compris de la Joconde et une lettre majuscule W. L'équipe a également démontré comment l'étirement des métaux pouvait ajuster la distance focale de l'objectif.
En plus de parvenir à une toute nouvelle approche de la conception des métaux à des niveaux record, l'équipe pense que ses expériences montrent la promesse de fabriquer de nouveaux dispositifs d'imagerie et d'optique entièrement à partir de matériaux 2D.
« Ces résultats ouvrent une toute nouvelle plateforme pour étudier les propriétés des matériaux 2D, ainsi que la construction de dispositifs nanophotoniques entièrement fonctionnels fabriqués entièrement à partir de ces matériaux, " a déclaré Majumdar. De plus, ces matériaux peuvent être facilement transférés sur n'importe quel substrat, y compris les matériaux souples, ouvrant la voie à la photonique flexible.
