Les circuits optiques vont révolutionner les performances de nombreux appareils. Non seulement ils sont 10 à 100 fois plus rapides que les circuits électroniques, mais ils consomment aussi beaucoup moins d'énergie. Au sein de ces circuits, les ondes lumineuses sont contrôlées par des surfaces extrêmement minces appelées métasurfaces qui concentrent les ondes et les guident au besoin. Les métasurfaces contiennent des nanoparticules régulièrement espacées qui peuvent moduler les ondes électromagnétiques sur des échelles de longueur d'onde submicrométriques.

Les métasurfaces pourraient permettre aux ingénieurs de fabriquer des circuits photoniques flexibles et des optiques ultra-minces pour une multitude d'applications, allant des ordinateurs tablettes flexibles aux panneaux solaires avec des caractéristiques d'absorption de lumière améliorées. Ils pourraient également être utilisés pour créer des capteurs flexibles pour un placement direct sur la peau d'un patient, par exemple, afin de mesurer des choses comme le pouls et la pression artérielle ou pour détecter des composés chimiques spécifiques.

Le hic, c'est que créer des métasurfaces en utilisant la méthode conventionnelle, lithographie, est un processus fastidieux qui prend plusieurs heures et doit être effectué en salle blanche. Mais les ingénieurs de l'EPFL du Laboratoire des matériaux photoniques et des dispositifs à fibres (FIMAP) ont désormais mis au point une méthode simple pour les fabriquer en quelques minutes seulement à basse température, voire parfois à température ambiante, sans nécessiter de salle blanche. La méthode School of Engineering de l'EPFL produit des métasurfaces en verre diélectrique qui peuvent être rigides ou flexibles. Les résultats de leurs recherches apparaissent dans Nature Nanotechnologie .

Transformer une faiblesse en force

La nouvelle méthode utilise un processus naturel déjà utilisé en mécanique des fluides :le démouillage. Cela se produit lorsqu'un film mince de matériau est déposé sur un substrat puis chauffé. La chaleur fait que le film se rétracte et se brise en minuscules nanoparticules. "Le démouillage est considéré comme un problème dans la fabrication, mais nous avons décidé de l'utiliser à notre avantage, " dit Fabien Sorin, l'auteur principal de l'étude et le directeur du FIMAP.

Avec leur méthode, les ingénieurs ont pu créer des métasurfaces en verre diélectrique, plutôt que des métasurfaces métalliques, pour la première fois. L'avantage des métasurfaces diélectriques est qu'elles absorbent très peu de lumière et ont un indice de réfraction élevé, permettant de moduler la lumière qui se propage à travers eux.

Pour construire ces métasurfaces, les ingénieurs ont d'abord créé un substrat texturé avec l'architecture souhaitée. Ensuite, ils ont déposé un matériau - dans ce cas, verre chalcogénure - en couches minces de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur. Le substrat a ensuite été chauffé pendant quelques minutes jusqu'à ce que le verre devienne plus fluide et que des nanoparticules commencent à se former dans les tailles et les positions dictées par la texture du substrat.

La méthode est si efficace qu'elle peut produire des métasurfaces très sophistiquées avec plusieurs niveaux de nanoparticules ou avec des réseaux de nanoparticules espacés de 10 nm. Cela rend les métasurfaces très sensibles aux changements des conditions ambiantes, par exemple pour détecter la présence même de très faibles concentrations de bioparticules. « C'est la première fois que le démouillage est utilisé pour créer des métasurfaces en verre. L'avantage est que nos métasurfaces sont lisses et régulières, et peut être facilement réalisé sur de grandes surfaces et des substrats souples, " dit Sorin.