Une illustration de la façon dont les métaux, diélectriques, et les diélectriques efficaces répondent à un champ électrique variant lentement. Dans chaque système, le champ appliqué est opposé par un champ électrique induit généré par l'accumulation de charges de surface. (a) Dans les métaux, les électrons sont libres de se déplacer jusqu'à ce que les champs appliqués et induits s'annulent dans la masse. Dans les diélectriques (b) et les diélectriques effectifs (c), la charge de surface est générée par la polarisation des (méta-)atomes ou (méta-)molécules, et le champ induit est plus faible que le champ appliqué. Crédit :Nature Communications, doi:10.1038/s41467-019-09939-8
En science des matériaux, les composants optiques achromatiques peuvent être conçus avec une transparence élevée et une faible dispersion. Les scientifiques des matériaux ont montré que bien que les métaux soient très opaques, des réseaux denses de nanoparticules métalliques contenant plus de 75 % de métal en volume peuvent devenir plus transparents au rayonnement infrarouge que les diélectriques tels que le germanium. De tels réseaux peuvent former des diélectriques efficaces qui sont pratiquement sans dispersion sur des gammes de longueurs d'onde ultra large bande pour concevoir une variété de dispositifs optiques à base de métamatériaux de nouvelle génération.
Les scientifiques peuvent régler les indices de réfraction locaux de ces matériaux en modifiant la taille, forme et espacement des nanoparticules pour concevoir des lentilles à gradient d'indice qui guident et focalisent la lumière à l'échelle microscopique. Le champ électrique peut être fortement concentré dans les espaces entre les nanoparticules métalliques pour la focalisation et la « compression » simultanées du champ diélectrique afin de produire une forte, points d'accès doublement améliorés. Les scientifiques peuvent utiliser ces points chauds pour augmenter les mesures effectuées à l'aide de la spectroscopie infrarouge et d'autres processus non linéaires sur une large gamme de fréquences.
Dans une étude récente maintenant publiée dans Communication Nature , Samuel J. Palmer et une équipe de recherche interdisciplinaire dans les départements de physique, Mathématiques et nanotechnologie au Royaume-Uni, l'Espagne et l'Allemagne, ont montré que les diélectriques artificiels peuvent rester hautement transparents au rayonnement infrarouge et ont observé ce résultat même lorsque les particules étaient nanoscopiques. Ils ont démontré que le champ électrique pénètre dans les particules (les rendant imparfaites pour la conduction) pour que de fortes interactions se produisent entre elles dans un arrangement serré. Les résultats permettront aux scientifiques des matériaux de concevoir des composants optiques achromatiques pour des applications dans la région des longueurs d'onde moyennes à infrarouges.
Palmer et ses collègues ont pu régler l'indice de réfraction local de ces composants en modifiant la taille, forme et espacement des nanoparticules avec sensibilité à l'indice de réfraction local du milieu environnant. Les scientifiques ont amélioré le champ électrique dans les espaces entre les nanoparticules métalliques du réseau et exploité simultanément leur transparence, accordabilité et fraction de remplissage métallique élevée pour concevoir une lentille à gradient d'indice. Le travail a concentré la lumière sur l'échelle microscopique et a comprimé le champ électrique à l'échelle nanométrique pour produire le point chaud de champ électrique doublement amélioré dans toute la région infrarouge (IR). Les scientifiques prévoient que les nouveaux travaux augmenteront les mesures effectuées à l'aide de la spectroscopie IR et d'autres processus non linéaires sur une large gamme de fréquences.
Permittivité effective des réseaux de nanoparticules métalliques. (a) La permittivité effective d'un réseau de nanocylindres en titane (de diamètre d = 38 nm et de séparation surface-surface G = 2 nm) pour la lumière polarisée TE (courbe rouge) et TM (courbe bleue) par rapport à la permittivité de titane massif (courbe en pointillés). (b) La permittivité effective des nanosphères de titane, (d = 20 nm, G = 2 nm) pour une lumière non polarisée. (c) La longueur de pénétration effective des réseaux de nanoparticules peut dépasser celle des diélectriques réels, comme le germanium, même pour des fractions de remplissage métalliques aussi élevées que 75 pour cent. Crédit :Nature Communications, doi:10.1038/s41467-019-09939-8
Les scientifiques des matériaux sont actuellement capables de développer des matériaux nouveaux et avancés; cependant, aucun matériau nouveau n'est vraiment homogène dans sa constitution. Néanmoins, la plupart des matériaux peuvent être caractérisés en utilisant des propriétés microscopiques homogènes telles que des indices de réfraction dans lesquels les inhomogénéités atomistiques sont plus petites que les longueurs d'onde moyennes de la lumière optique incidente sur le matériau. Les matériaux construits artificiellement appelés métamatériaux sont décrits par un indice effectif lorsque le matériau contient une structure suffisamment sous-longueur d'onde. Les premiers métamatériaux comprenaient des diélectriques artificiels composés de réseaux centimétriques de particules métalliques capables de guider et de focaliser les ondes radio comme un diélectrique. Les particules métalliques des premiers matériaux diélectriques artificiels étaient si grosses qu'elles se comportaient comme des conducteurs parfaits avec une grande transparence aux ondes radio. Des recherches récentes en science des matériaux visent à construire des diélectriques efficaces pour le spectre visible et infrarouge à l'aide de réseaux de particules métalliques à l'échelle nanométrique. Les progrès dans l'assemblage de nanoparticules métalliques peuvent alors permettre une ingénierie sophistiquée d'interactions lumière-matière sans précédent dans le domaine optique.
Dans le travail present, Palmer et al. comparé la transparence des réseaux de nanocylindres et des nanosphères (bien que les nanoparticules puissent avoir d'autres formes) au germanium afin de démontrer que les réseaux pouvaient guider et focaliser la lumière. Les réseaux de nanocylindres se sont comportés comme des diélectriques efficaces avec une lumière polarisée électrique transversale; où une force transversale sur les électrons a conduit à des charges de surface oscillantes qui imitaient les dipôles oscillants d'un atome dans un diélectrique réel.
En revanche, la réponse des cylindres à la lumière polarisée magnétique transversale était similaire à celle du métal en vrac, puisque les électrons étaient libres de se déplacer sous l'action du champ électrique longitudinal sans rencontrer les surfaces des cylindres. Les réseaux de nanosphères de l'étude se sont comportés comme des diélectriques efficaces, quelle que soit la polarisation incidente - focaliser les électrons dans n'importe quelle direction pour entraîner des charges de surface qui imitent les dipôles oscillants d'un diélectrique. De tels réseaux ont montré une transparence élevée par rapport aux diélectriques réels tels que le germanium, même lorsque le système contenait plus de 75 % de métal.
Démonstrations expérimentales et numériques de réseaux métalliques transparents. (a) Image de microscopie d'un supercristal colloïdal d'or de 60 nm de diamètre déposé sur un substrat de Ge. (b) Les particules métalliques présentent une transparence infrarouge élevée. (c–e) Les diélectriques efficaces sont suffisamment transparents pour agir comme des lentilles micrométriques au rayonnement infrarouge de longueur d'onde λ0 = 2 μm, comme le montrent les champs magnétiques proches. Il y a un bon accord entre (d) la géométrie complète des cylindres en titane avec un diamètre de 38 nm et un écart surface-surface de 2 nm et (e) la géométrie homogénéisée, neff = 3.2 + 0.5i. Crédit :Nature Communications, doi:10.1038/s41467-019-09939-8
Pour tester l'exactitude de la théorie proposée, Palmer et al. a produit un supercristal colloïdal hautement ordonné en utilisant des nanoparticules d'or de 60 nm de diamètre. Ils ont déposé le supercristal sur un substrat de germanium et caractérisé le matériau (propriétés physiques testées) à l'aide d'un spectrophotomètre UV-vis-NIR. Les scientifiques ont observé une transparence exceptionnelle des matériaux, démontrant la faisabilité de la production expérimentale de métamatériaux. En utilisant des champs magnétiques proches, ils ont montré que les diélectriques efficaces étaient suffisamment transparents pour agir comme des lentilles micrométriques au rayonnement infrarouge. Bien qu'il contienne 82 % de métal en volume, les scientifiques ont observé que la rupture de l'or massif en un réseau de nanocylindres en or produisait une lentille transparente capable de focaliser la lumière, ressemblant étroitement au comportement d'une lentille diélectrique homogène.
Transparence en fonction de la profondeur de la peau du matériau. (a) L'indice effectif d'un réseau carré de nanocylindres, composé d'aluminium, or, argent, et titane. Encart :la profondeur de peau de chaque métal, calculé à l'aide du modèle de permittivité de Lorentz-Drude. (b) A une longueur d'onde fixe, c'est le rapport entre le diamètre des particules et l'épaisseur de peau du métal qui détermine si les particules se comportent comme des dipôles quasi-statiques ou des conducteurs parfaits. L'indice effectif est remarquablement constant pour d ≲ δs. Crédit :Nature Communications, doi:10.1038/s41467-019-09939-8
Les scientifiques ont ensuite comparé différents types de métaux (aluminium, argent, or et titane) pour montrer que les matériaux avec des profondeurs de peau plus longues produisaient les réseaux de nanoparticules les plus transparents et les moins dispersifs. Palmer et al. a montré qu'à une longueur d'onde fixe, le rapport du diamètre des particules à la profondeur de peau du métal déterminé si la particule se comporterait comme des dipôles de quasi-particules ou comme des conducteurs parfaits.
En plus d'une grande transparence, les scientifiques pourraient régler le système en contrôlant la taille, forme et l'espace des particules. Par exemple, Palmer et al. contrôlé le rapport hauteur/largeur de réseaux de cylindres elliptiques pour montrer que la réponse anisotrope du matériau pouvait être ajustée. Les résultats numériques ont montré que l'indice effectif pouvait être facilement réglé pour varier de plus de 50 pour cent lorsque le système était tourné. Ainsi, les scientifiques ont pu régler l'indice effectif en fixant les positions des particules et en ajustant leurs tailles.
À GAUCHE :L'indice effectif des nanocylindres d'or en fonction du rapport hauteur/largeur et de la taille des particules. Chiffres (traits pleins) et formule de mélange Maxwell Garnett (tirets). (a) Les rapports d'aspect des réseaux carrés de cylindres étaient variés, tout en maintenant le volume et la séparation surface-surface de chaque cylindre constants, comme indiqué dans les encarts. Le diamètre non déformé des cylindres était d = 30 nm et la longueur d'onde incidente était λ0 = 200 μm. (b) Les cylindres ont été placés sur un réseau triangulaire de longueur 50 nm, et leurs diamètres ont varié de 0 nm ≤ d ≤ 48 nm pour une longueur d'onde incidente λ0 = 2 μm. À DROITE :Conception d'un verre à gradient d'indice avec des points chauds « doublement améliorés ». (a) Schéma d'une lentille à gradient d'indice « concentrateur » composée de nanocylindres d'or sur un réseau triangulaire avec une séparation de site à site de 50 nm. (b) Profil d'indice effectif de la lentille de concentration, idéal (tiré) et atteint (solide). (c) Les champs magnétiques proches calculés à l'aide de la géométrie effective et de la géométrie complète confirment tous deux que les ondes planes sont focalisées vers l'origine de la lentille. (d) Dans le foyer de la lentille, la focalisation et la compression combinées du champ électrique produisent des points chauds « doublement améliorés ». Crédit :Nature Communications, doi:10.1038/s41467-019-09939-8
Pour mettre en évidence ce potentiel de réglage de l'indice effectif local, Palmer et al. puis construit une lentille à gradient d'indice (GRIN) en utilisant des réseaux triangulaires de cylindres en or et fait varier les diamètres des cylindres avec la position. À l'aide de la lentille GRIN, les scientifiques ont pu concentrer simultanément la lumière à l'échelle microscopique, puis « presser » la lumière à l'échelle nanométrique pour produire l'intense, points chauds de champ électrique « doublement améliorés ». Contrairement aux améliorations plasmoniques, l'effet ne reposait pas sur des résonances avec perte, démontrant des propriétés à large bande et à faible perte.
Ils ont montré que le point focal de la lentille GRIN devait coïncider avec la région de tassement la plus proche pour maximiser la compression du champ électrique. Contrairement aux champs magnétiques qui étaient continus à travers les interfaces air-métal dans l'étude, le champ électrique fortement localisé dans les entrefers. Par conséquent, la compression d'une longueur d'onde de 2 µm dans des espaces de 2 nm a produit de forts points chauds de haute intensité dans l'étude.
De cette façon, Palmer et al. construit à faible perte, diélectriques efficaces à partir de réseaux de nanoparticules métalliques. Les scientifiques ont obtenu des réseaux hautement transparents qui dépassaient la transparence des vrais diélectriques tels que le germanium; réputés pour leur transparence aux rayonnements de faible énergie. Ils ont également pu régler et contrôler localement la taille, forme et espace des particules formant les nouveaux métamatériaux. Les scientifiques ont montré que l'indice effectif était essentiellement constant pour toutes les longueurs d'onde supérieures à 2 µm. Ce travail permettra aux scientifiques des matériaux de concevoir et de concevoir des dispositifs optiques sophistiqués avec des métamatériaux qui guident ou améliorent la lumière sur une large gamme de fréquences, essentiellement sans limite supérieure sur la longueur d'onde.
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