Ce qui peut être considéré comme la plus petite ampoule à incandescence du monde brille dans un laboratoire d'ingénierie de l'Université Rice avec la promesse de progrès dans la détection, photonique et peut-être des plates-formes informatiques au-delà des limites du silicium.

Gururaj Naik de la Brown School of Engineering de Rice et l'étudiante diplômée Chloe Doiron ont assemblé des "émetteurs thermiques sélectifs" non conventionnels, des collections de matériaux à l'échelle proche du nanomètre qui absorbent la chaleur et émettent de la lumière.

Leurs recherches, signalé dans Matériaux avancés , one-ups une technique récente développée par le laboratoire qui utilise des nanotubes de carbone pour canaliser la chaleur du rayonnement infrarouge moyen afin d'améliorer l'efficacité des systèmes d'énergie solaire.

La nouvelle stratégie combine plusieurs phénomènes connus dans une configuration unique qui transforme également la chaleur en lumière, mais dans ce cas, le système est hautement configurable.

Essentiellement, Naik a dit, les chercheurs ont fabriqué une source de lumière incandescente en décomposant un système à un élément, le filament incandescent d'une ampoule, en deux ou plusieurs sous-unités. Mélanger et faire correspondre les sous-unités pourrait donner au système une variété de capacités.

"L'article précédent visait à rendre les cellules solaires plus efficaces, " dit Naïk, professeur assistant en génie électrique et informatique. "Cette fois, la percée est plus dans la science que dans l'application. Essentiellement, notre objectif était de construire une source de lumière thermique à l'échelle nanométrique avec des propriétés spécifiques, comme émettre à une certaine longueur d'onde, ou émettant des états de lumière thermique extrêmement brillants ou nouveaux.

"Précédemment, les gens considéraient une source lumineuse comme un seul élément et essayaient d'en tirer le meilleur parti, " a-t-il dit. "Mais nous divisons la source en de nombreux éléments minuscules. Nous assemblons les sous-éléments de telle manière qu'ils interagissent les uns avec les autres. Un élément peut donner de la luminosité; l'élément suivant pourrait être réglé pour fournir une spécificité de longueur d'onde. Nous partageons le fardeau entre de nombreuses petites pièces.

« L'idée est de s'appuyer sur des comportements collectifs, pas qu'un seul élément, " a déclaré Naik. " Briser le filament en plusieurs morceaux nous donne plus de degrés de liberté pour concevoir la fonctionnalité. "

Le système repose sur une physique non hermitienne, une façon mécanique quantique de décrire les systèmes "ouverts" qui dissipent de l'énergie - dans ce cas, chaleur plutôt que de la retenir. Dans leurs expériences, Naik et Doiron ont combiné deux types d'oscillateurs passifs à l'échelle quasi nanométrique qui sont couplés électromagnétiquement lorsqu'ils sont chauffés à environ 700 degrés Celsius. Lorsque l'oscillateur métallique a émis de la lumière thermique, il a déclenché le disque de silicium couplé pour stocker la lumière et la libérer de la manière souhaitée, dit Naik.

La sortie du résonateur électroluminescent, Doiron a dit, peut être contrôlé en amortissant le résonateur à pertes ou en contrôlant le niveau de couplage à travers un troisième élément entre les résonateurs. « Compromis luminosité et sélectivité, " dit-elle. " Les semi-conducteurs vous offrent une sélectivité élevée mais une faible luminosité, tandis que les métaux vous donnent une émission très brillante mais une faible sélectivité. Juste en couplant ces éléments, nous pouvons obtenir le meilleur des deux mondes."

"L'impact scientifique potentiel est que nous pouvons le faire non seulement avec deux éléments, mais bien d'autres, " a déclaré Naik. " La physique ne changerait pas. "

Il a noté que bien que les ampoules à incandescence commerciales aient cédé la place aux LED pour leur efficacité énergétique, les lampes à incandescence sont encore le seul moyen pratique de produire de la lumière infrarouge. "La détection et la détection infrarouge reposent toutes deux sur ces sources, " a déclaré Naik. " Ce que nous avons créé est une nouvelle façon de construire des sources lumineuses qui sont lumineuses, directionnelle et émettent de la lumière dans des états et des longueurs d'onde spécifiques, y compris l'infrarouge."

Les opportunités de détection se situent au « point exceptionnel du système, " il a dit.

"Il y a une transition de phase optique à cause de la façon dont nous avons couplé ces deux résonateurs, " a déclaré Naik. "Là où cela se produit s'appelle le point exceptionnel, car il est exceptionnellement sensible à toute perturbation qui l'entoure. Cela rend ces appareils adaptés aux capteurs. Il existe des capteurs avec des optiques microscopiques, mais rien n'a été montré dans les appareils qui utilisent la nanophotonique."

Les opportunités peuvent également être intéressantes pour l'informatique classique de niveau supérieur. « La feuille de route internationale pour la technologie des semi-conducteurs (ITRS) comprend que la technologie des semi-conducteurs atteint la saturation et réfléchit aux commutateurs de prochaine génération qui remplaceront les transistors au silicium, " a déclaré Naik. " ITRS a prédit que ce sera un commutateur optique, et qu'il utilisera le concept de symétrie parité-temps, comme nous le faisons ici, car le commutateur doit être unidirectionnel. Il envoie la lumière dans la direction que nous voulons, et aucun ne revient, comme une diode pour la lumière au lieu de l'électricité."