Polarisation, en synchronisation. Sur la macro, niveau quotidien, il se lit comme un oxymore. À Xia Hong de l'Université du Nebraska-Lincoln et à ses collègues nanoscientifiques, bien que, la contradiction apparente a une sorte de sens harmonieux. Et cela pourrait juste stimuler le développement de plus petits, des filtres optiques plus polyvalents qui sont particulièrement aptes à jouer avec un tour de lumière.

Cette astuce se produit lorsque deux paquets, ou photons, de la lumière frappe un matériau et éjecte un autre photon - un avec le double de l'énergie et la moitié de la longueur d'onde - du matériau. Parce que les longueurs d'onde diffèrent à travers le spectre électromagnétique, le phénomène peut transformer les ondes infrarouges entrantes en ondes de lumière bleue, par exemple, ou cette lumière visible dans l'ultraviolet.

Mais pas n'importe quel matériau peut réussir le tour, connue sous le nom de génération de deuxième harmonique. Un matériau qui peut :une fine couche atomique de bisulfure de molybdène. Hong a passé plusieurs années à explorer les phénomènes qui émergent de l'appariement du bisulfure de molybdène avec des matériaux dits ferroélectriques, dont l'alignement des charges positives et négatives bascule lorsqu'il est exposé à un champ électrique.

L'année dernière, elle et ses collègues étudiaient comment le comportement optique du bisulfure de molybdène monocouche réagissait lorsqu'il était placé sur un matériau ferroélectrique appelé titanate de zirconate de plomb, ou PZT.

"Nous n'attendions pas grand-chose, " dit Hong, professeur agrégé de physique et d'astronomie, "mais nous l'avons vu très, effet très étrange."

Au lieu d'observer la génération de la deuxième harmonique uniformément sur toute la surface, l'équipe a remarqué que certains segments amplifiaient le phénomène alors que d'autres l'atténuaient. Les chercheurs ont également réalisé que le motif inattendu avait émergé au niveau des murs de domaine du PZT, où une section avec une polarisation positive - des charges positives orientées vers le haut séparées des charges négatives orientées vers le bas - a rencontré une section avec une polarisation négative. Non seulement cela:L'intensité de la génération de deuxième harmonique réfléchie alternée par le mur, pour que le premier, les troisième et cinquième murs l'ont boosté tandis que le deuxième, les quatrième et sixième l'amortissaient.

Étant donné que le motif manquait dans l'un ou l'autre des matériaux seuls, les chercheurs ont pensé que cela devait provenir d'une interaction des deux. A y regarder de plus près, ils ont découvert que les tourbillons de type vortex des charges positives et négatives au sommet des parois du PZT, similaires à la rotation tornade qui peut se produire lorsque l'air chaud et l'air froid convergent, contribuaient à l'effet.

Lorsque cette rotation correspond à la polarisation du bisulfure de molybdène sus-jacent, de sorte que le premier tournait dans le sens des aiguilles d'une montre tandis que le dernier était aligné de gauche à droite, ou vice versa, le signal de deuxième harmonique réfléchi a presque quadruplé en intensité. Lorsque ces polarisations se sont opposées, le signal réfléchi a pratiquement disparu.

La polarisation de la lumière entrante importait, trop. Un champ électrique entourant un rayon de lumière non polarisée, comme celle qui vient du soleil, jaillira au hasard dans toutes les directions. Le champ électrique de la lumière polarisée, par contre, s'en tiendra à un seul plan—vertical, horizontal—ou tourner autour du rayon de manière prévisible, manière cyclique. Bien que la lumière entrante polarisée à certains angles produise un motif clair de deuxième harmonique lors de la réflexion, les signaux ont disparu lorsque l'équipe a ajusté la polarisation de la lumière à d'autres angles.

Quant aux longueurs d'onde qui ont traversé la nanostructure, plutôt que d'y réfléchir ? L'équipe a trouvé un modèle d'intensification-atténuation pour ceux, trop. Plutôt que de dépendre de la correspondance ou de la non-concordance de polarisation entre les matériaux, bien que, la génération de deuxième harmonique a répondu à la seule polarisation des patchs PZT. Lorsque la lumière était polarisée à certains angles, les patchs PZT à polarisation positive ont boosté le signal, alors que les patchs polarisés négativement l'ont atténué. Et ajuster la polarisation de la lumière pourrait inverser les forces relatives de ces signaux.

Hong a déclaré que la sensibilité de la nanostructure à la lumière polarisée, combiné avec la possibilité de retourner la polarisation du PZT électriquement ou mécaniquement, fait quelque chose d'inhabituel :un filtre optique qui pourrait être programmé et reprogrammé en quelques secondes.

"C'est à l'échelle nanométrique, et il peut être contrôlé, " dit Hong. " Donc, vous pourriez dire que c'est une façon plus intelligente de filtrer, car vous pouvez le reconfigurer. Ce n'est pas une affaire conclue. Je peux écrire la polarisation comme ça, je peux l'effacer, (puis) ​​je peux l'écrire d'une manière différente.

"Je pense que la clé est vraiment que c'est une technique très simple."

La polyvalence de la technique pourrait s'avérer utile pour caractériser rapidement des matériaux ou des substances, Hong a dit, en particulier les propriétés qui influencent la génération de la deuxième harmonique ou dictent les réponses à la polarisation de la lumière. Bien que la technique ne soit pas vraiment adaptée à la routine, applications au niveau macro du filtrage polarisé - "Ce n'est clairement pas quelque chose avec lequel faire vos lunettes polarisées, " dit-elle - Hong réfléchissait à une possibilité connexe.

"Si vous vouliez faire un film en 3D à l'échelle microscopique, " osa-t-elle avec un sourire, "c'est probablement la façon de le faire."

Hong et ses collègues ont rapporté leurs découvertes dans le journal Communication Nature .