Scientifiques de l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapore) a développé une nouvelle façon de mesurer les distances à l'échelle nanométrique (un nanomètre étant un milliardième de mètre) en utilisant la lumière.

Appareils qui utilisent la lumière pour voir des objets, comme les microscopes, ont une limitation fondamentale basée sur les lois de la physique, qui est leur pouvoir de résolution.

La plus petite distance que les appareils optiques peuvent imager de manière fiable est égale à la moitié de la longueur d'onde de la lumière utilisée, connue sous le nom de "limite de diffraction".

La limite de diffraction est donc supérieure à 400 nanomètres, environ la moitié de la longueur d'onde de la lumière proche infrarouge. C'est environ 250 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain (100 microns).

Mais comme les scientifiques s'intéressent à l'observation d'objets extrêmement petits comme des virus et des nanoparticules dont la taille varie de 10 à 100 nanomètres, une résolution optique de 400 nanomètres est insuffisante.

Actuellement, les mesures à l'échelle nanométrique sont effectuées par des méthodes indirectes ou non optiques, comme la microscopie électronique à balayage, qui ne sont pas toujours réalisables, peut prendre beaucoup de temps et nécessiter un équipement coûteux pour fonctionner.

Cependant, une découverte publiée dans la revue Science par le professeur Nikolay Zheludev et le Dr Guanghui Yuan de l'École des sciences physiques et mathématiques de NTU décrit une nouvelle méthode optique qui peut mesurer les déplacements d'un nanomètre - la plus petite distance jamais mesurée directement, utilisant la lumière proche infrarouge.

Leurs calculs théoriques indiquent que les appareils basés sur cette méthode pourraient finalement mesurer des distances jusqu'à 1/4000 de la longueur d'onde de la lumière, à peu près la taille d'un seul atome.

Leur réalisation a été accomplie à l'aide d'un film d'or de 100 nanomètres d'épaisseur avec plus de 10, 000 minuscules fentes y sont découpées pour diffracter la lumière laser et exploiter un phénomène optique connu sous le nom de "superoscillation".

Le concept de superoscillation est né dans les années 1980 des recherches en physique quantique de Yakir Aharonov, un physicien israélien, et a ensuite été étendu à l'optique et à d'autres domaines par le physicien britannique Michael Berry. La superoscillation se produit lorsqu'une "sous-longueur d'onde" dans une onde lumineuse oscille plus rapidement que l'onde lumineuse elle-même.

Comment ça fonctionne

"Notre appareil est conceptuellement très simple, " dit le Dr Yuan, stagiaire postdoctoral au Center for Disruptive Photonic Technologies (CDPT), un centre sous l'Institut de photonique à NTU Singapour. "Ce qui fait que cela fonctionne, c'est le motif précis dans lequel les fentes sont disposées. Il existe deux types de fentes dans le motif, orientés à angle droit les uns par rapport aux autres. Lorsque la lumière laser polarisée frappe le film d'or, il crée un motif d'interférence contenant des caractéristiques extrêmement minuscules, beaucoup plus petit que la longueur d'onde de la lumière."

Après que cette lumière polarisée se soit dispersée de l'appareil de Zheludev et Yuan, il produit deux faisceaux à polarisation croisée :l'un un « motif d'interférence » superoscillatoire contenant une variation de phase rapide et l'autre une onde de référence pour détecter la phase du champ superoscillatoire.

De la phase, il est possible de calculer le gradient de la superoscillation, ou "vecteur d'onde local, " qui a une largeur extrêmement étroite (400 fois plus étroite que la limite de diffraction) et peut donc être utilisée comme règle optique haute résolution.

Un obstacle que les scientifiques de NTU ont dû surmonter était que ces plus petites superoscillations n'apparaissent pas dans l'amplitude de l'onde lumineuse, mais dans sa phase. Pour tracer la phase du champ lumineux, les scientifiques ont dû concevoir une technique spéciale permettant de comparer les intensités produites par différents états de polarisation de la lumière laser.

"Cette technique sensible à la phase est une amélioration majeure par rapport aux tentatives précédentes d'utiliser la superoscillation pour la mesure optique, " a déclaré le professeur Zheludev, Co-directeur de l'Institut de photonique de NTU.

« Méthodes antérieures, développé par nous ainsi que d'autres, ont utilisé une classe de superoscillations qui correspondent à des « points chauds » localisés en intensité. L'avantage des points chauds est qu'ils sont faciles à détecter. Pourtant, si le but est de mesurer les distances les plus courtes possibles, les superoscillations de phase sont bien plus adaptées, en raison de leur petite taille."

Applications futures

Professeur Jeludev, qui est également co-directeur du Centre de recherche en optoélectronique de l'Université de Southampton au Royaume-Uni, ont déclaré que leur découverte serait susceptible de trouver une application dans l'industrie :

"Cette méthode de mesure optique sera très utile à l'avenir, comme dans la fabrication et le contrôle qualité de l'électronique, où des mesures optiques extrêmement précises sont requises, et de surveiller l'intégrité des nano-dispositifs eux-mêmes."

Avancer, l'équipe vise à développer une version compacte de leur appareil utilisant des fibres optiques et à commercialiser la technologie en tant que nouveau type de règle optique ultra-précise, ce qui serait bénéfique aux procédés de fabrication avancés, comme la fabrication de semi-conducteurs et les dispositifs optoélectroniques, qui sont l'épine dorsale de l'industrie des télécommunications.