Réseau de diffraction réalisé avec une sonde à balayage chaud. La ligne rouge montre le profil de surface de la grille. Crédit :ETH Zurich / Nolan Lassaline
Des chercheurs de l'ETH Zurich ont développé une méthode pour la production de surfaces ondulées avec une précision nanométrique. À l'avenir, cette méthode pourrait être utilisée, par exemple, rendre les composants optiques pour la transmission de données sur Internet encore plus efficaces et compacts.
L'importance des technologies basées sur la lumière pour notre société a été démontrée une fois de plus ces dernières semaines. Grâce à internet, des millions de personnes peuvent travailler à distance, entrer dans les classes virtuelles, ou parler à des amis et des parents. L'Internet, à son tour, doit sa puissance aux innombrables impulsions lumineuses avec lesquelles d'énormes quantités de données sont envoyées dans le monde entier via des fibres optiques.
Pour diriger et contrôler ces impulsions lumineuses, diverses technologies sont employées. L'un des plus anciens et des plus importants est le réseau de diffraction, qui dévie la lumière de différentes couleurs dans des directions précisément déterminées. Depuis des décennies, les scientifiques ont essayé d'améliorer la conception et la production de réseaux de diffraction pour les rendre adaptés aux applications exigeantes d'aujourd'hui. A l'ETH Zurich, un groupe de chercheurs dirigé par David Norris, professeur au Département de génie mécanique et des procédés, ont développé une toute nouvelle méthode permettant de produire des réseaux de diffraction plus efficaces et plus précis. Ils l'ont fait avec des collègues de l'Université d'Utrecht et de la société Heidelberg Instruments Nano, qui a été fondée en tant que spin-off de l'ETH SwissLitho. Les chercheurs ont publié les résultats dans la revue scientifique La nature .
À l'ETH, les réseaux de diffraction sont produits en modelant une couche de polymère (vert) avec une sonde à balayage chaud. Une couche d'argent (gris) est ensuite déposée, qui se détache enfin avec une lame de verre (bleue). Crédit :ETH Zurich / Nolan Lassaline
Interférence par les rainures
Les réseaux de diffraction sont basés sur le principe d'interférence. Lorsqu'une onde lumineuse frappe une surface rainurée, il est divisé en plusieurs petites vagues, chacun émanant d'un sillon individuel. Lorsque ces ondes quittent la surface, ils peuvent soit s'additionner, soit s'annuler, en fonction de la direction dans laquelle ils se déplacent et de leur longueur d'onde (qui est liée à leur couleur). Cela explique pourquoi la surface d'un CD, sur laquelle les données sont stockées dans de minuscules rainures, génère un arc-en-ciel de couleurs réfléchies lorsqu'il est éclairé par une lumière blanche.
Pour qu'un réseau de diffraction fonctionne correctement, ses rainures doivent avoir une séparation similaire à la longueur d'onde de la lumière, qui est d'environ un micromètre, cent fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain. "Traditionnellement, ces rainures sont gravées dans la surface d'un matériau à l'aide de techniques de fabrication issues de l'industrie de la microélectronique, " dit Nolan Lassaline, un doctorat étudiant dans le groupe de Norris et premier auteur de l'étude. "Ça signifie, cependant, que les rainures de la grille sont de forme plutôt carrée. D'autre part, la physique nous dit que nous devrions avoir des rainures avec un motif lisse et ondulé, comme des ondulations sur un lac. » Les rainures faites avec des méthodes traditionnelles peuvent, donc, n'être que des approximations grossières, ce qui à son tour signifie que le réseau de diffraction dirigera la lumière moins efficacement. En poursuivant une approche complètement nouvelle, Norris et ses collaborateurs ont maintenant découvert une solution à ce problème.
Un réseau de diffraction bidimensionnel à surface ondulée, réalisé par la technique ETH (image au microscope électronique). Crédit :ETH Zurich / Nolan Lassaline
Motif de surface avec une sonde chaude
Leur approche est basée sur une technologie qui a également ses origines à Zurich. "Notre méthode est un arrière-petit-enfant du microscope à effet tunnel, inventé il y a près de quarante ans par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui gagneront plus tard le prix Nobel pour leur travail, " dit Norris. Dans un tel microscope, les surfaces des matériaux sont balayées par la pointe acérée d'une sonde à haute résolution. Les images résultant d'un tel balayage peuvent même montrer les atomes individuels d'un matériau.
Inversement, cependant, on peut également utiliser la pointe acérée pour modeler un matériau et ainsi produire des surfaces ondulées. Faire cela, les chercheurs chauffent la pointe d'une sonde de balayage à près de 1000 degrés centigrades et l'enfoncent dans une surface polymère à certains endroits. Cela provoque la rupture et l'évaporation des molécules du polymère à ces endroits, permettant à la surface d'être sculptée avec précision. De cette façon, les scientifiques peuvent écrire des profils de surface presque arbitraires point par point dans la couche de polymère avec une résolution de quelques nanomètres. Finalement, le motif est transféré sur un matériau optique par dépôt d'une couche d'argent sur le polymère. La couche d'argent peut ensuite être détachée du polymère et utilisée comme réseau de diffraction réfléchissant.
"Cela nous permet de produire des réseaux de diffraction de forme arbitraire avec une précision de quelques distances atomiques dans la couche d'argent, " dit Norris. Contrairement aux rainures traditionnelles en forme de carré, de tels réseaux ne sont plus des approximations, mais pratiquement parfait et peut être façonné de telle manière que l'interférence des ondes lumineuses réfléchies crée des motifs contrôlables avec précision.
Une variété d'applications
Ces grilles parfaites permettent de nouvelles possibilités de contrôle de la lumière, qui a une gamme d'applications, dit Norris :« La nouvelle technologie peut être utilisée, par exemple, construire de minuscules réseaux de diffraction dans des circuits intégrés avec lesquels des signaux optiques pour Internet peuvent être envoyés, reçus et acheminés plus efficacement. » Lassaline ajoute, "Généralement, nous pouvons utiliser de tels réseaux de diffraction pour fabriquer des dispositifs optiques hautement miniaturisés tels que des micro-lasers sur puce." Ces dispositifs miniaturisés, il dit, vont des objectifs de caméra ultrafins aux hologrammes compacts avec des images plus nettes. Ils promettent un large impact dans les technologies optiques telles que les caméras futuristes pour smartphones, biocapteurs, ou vision autonome pour les robots et les voitures autonomes."
