La lumière est notoirement rapide. Sa vitesse est cruciale pour un échange rapide d'informations, mais comme des zips légers à travers les matériaux, ses chances d'interagir et d'exciter des atomes et des molécules peuvent devenir très faibles. Si les scientifiques peuvent freiner les particules légères, ou photons, cela ouvrirait la porte à une foule de nouvelles applications technologiques.

Maintenant, dans un article publié le 17 août, dans Nature Nanotechnologie , Les scientifiques de Stanford démontrent une nouvelle approche pour ralentir considérablement la lumière, un peu comme une chambre d'écho s'accroche au son, et de le diriger à volonté. Des chercheurs du laboratoire de Jennifer Dionne, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford, puces de silicium ultrafines structurées en barres nanométriques pour piéger la lumière par résonance, puis la libérer ou la rediriger plus tard. Ces résonateurs à "facteur de qualité élevée" ou à "Q élevé" pourraient conduire à de nouvelles façons de manipuler et d'utiliser la lumière, y compris de nouvelles applications pour l'informatique quantique, réalité virtuelle et réalité augmentée; WiFi basé sur la lumière ; et même la détection de virus comme le SARS-CoV-2.

"Nous essayons essentiellement de piéger la lumière dans une petite boîte qui permet toujours à la lumière d'aller et venir de nombreuses directions différentes, " a déclaré le boursier postdoctoral Mark Lawrence, qui est également l'auteur principal de l'article. « Il est facile de piéger la lumière dans une boîte à plusieurs côtés, mais pas si facile si les côtés sont transparents, comme c'est le cas avec de nombreuses applications à base de silicium."

Faire et fabriquer

Avant de pouvoir manipuler la lumière, les résonateurs doivent être fabriqués, et cela pose un certain nombre de défis.

Un composant central de l'appareil est une couche extrêmement mince de silicium, qui piège la lumière très efficacement et a une faible absorption dans le proche infrarouge, le spectre de la lumière que les scientifiques veulent contrôler. Le silicium repose sur une plaquette de matériau transparent (saphir, dans ce cas) dans lequel les chercheurs dirigent un "stylo" de microscope électronique pour graver leur motif de nanoantenne. Le motif doit être dessiné aussi doucement que possible, comme ces antennes servent de murs dans l'analogie de la chambre d'écho, et les imperfections inhibent la capacité de piégeage de la lumière.

"Les résonances à Q élevé nécessitent la création de parois latérales extrêmement lisses qui ne permettent pas à la lumière de s'échapper, " dit Dionne, qui est également vice-recteur associé principal des plateformes de recherche/installations partagées. « Cela peut être réalisé de manière assez routinière avec des structures à l'échelle du micron plus grandes, mais c'est très difficile avec les nanostructures qui diffusent davantage la lumière."

La conception de motifs joue un rôle clé dans la création des nanostructures à Q élevé. « Sur un ordinateur, Je peux dessiner des lignes et des blocs ultra-lisses de n'importe quelle géométrie donnée, mais la fabrication est limitée, " dit Lawrence. " En fin de compte, nous devions trouver une conception qui offrait de bonnes performances de piégeage de la lumière, mais qui restait dans le domaine des méthodes de fabrication existantes."

Applications (facteur) de haute qualité

Le bricolage de la conception a abouti à ce que Dionne et Lawrence décrivent comme une technologie de plate-forme importante avec de nombreuses applications pratiques.

Les appareils ont démontré des facteurs de qualité jusqu'à 2, 500, ce qui est deux ordres de grandeur (ou 100 fois) plus élevé que n'importe quel appareil similaire précédemment atteint. Les facteurs de qualité sont une mesure décrivant le comportement de résonance, ce qui dans ce cas est proportionnel à la durée de vie de la lumière. "En atteignant des facteurs de qualité par milliers, nous sommes déjà dans une zone idéale pour des applications technologiques très intéressantes, " dit Dionne.

Par exemple, biodétection. Une seule biomolécule est si petite qu'elle est pratiquement invisible. Mais faire passer la lumière sur une molécule des centaines ou des milliers de fois peut augmenter considérablement les chances de créer un effet de diffusion détectable.

Le laboratoire de Dionne travaille sur l'application de cette technique à la détection des antigènes COVID-19 - des molécules qui déclenchent une réponse immunitaire - et des anticorps - des protéines produites par le système immunitaire en réponse. "Notre technologie donnerait une lecture optique comme les médecins et les cliniciens sont habitués à voir, " a déclaré Dionne. " Mais nous avons la possibilité de détecter un seul virus ou de très faibles concentrations d'une multitude d'anticorps en raison des fortes interactions entre la lumière et la molécule. " La conception des nanorésonateurs à Q élevé permet également à chaque antenne de fonctionner indépendamment pour détecter simultanément différents types d'anticorps.

Bien que la pandémie ait stimulé son intérêt pour la détection virale, Dionne est également enthousiasmée par d'autres applications, tels que LIDAR—ou Light Detection and Ranging, qui est une technologie de mesure de distance par laser souvent utilisée dans les véhicules autonomes, à laquelle cette nouvelle technologie pourrait contribuer. "Il y a quelques années, je n'aurais pas pu imaginer les immenses espaces d'application que ce travail toucherait, " dit Dionne. " Pour moi, ce projet a renforcé l'importance de la recherche fondamentale - vous ne pouvez pas toujours prédire où la science fondamentale va aller ou à quoi elle va mener, mais il peut fournir des solutions essentielles aux défis futurs. »

Cette innovation pourrait également être utile en science quantique. Par exemple, diviser des photons pour créer des photons intriqués qui restent connectés à un niveau quantique même lorsqu'ils sont éloignés les uns des autres nécessiterait généralement de grandes expériences optiques de table avec de gros cristaux coûteux et polis avec précision. « Si nous pouvons le faire, mais utilisez nos nanostructures pour contrôler et façonner cette lumière enchevêtrée, peut-être qu'un jour nous aurons un générateur d'enchevêtrement que vous pourrez tenir dans votre main, " a déclaré Lawrence. " Avec nos résultats, nous sommes ravis d'examiner la nouvelle science qui est réalisable maintenant, mais aussi essayer de repousser les limites du possible."