L'étudiant diplômé du MIT, Yifei Zhang, détient la nouvelle métasurface, ou appareil optique plat à motifs d'une centaine, 000 structures nanométriques, qui est intégré sur une puce de silicium et peut être activé électriquement. Crédit :Yifei Zhang
Les ingénieurs et collègues du MIT rapportent de nouvelles avancées importantes sur une métasurface accordable, ou dispositif optique plat modelé avec des structures nanométriques, qu'ils se comparent à un couteau suisse alors que son prédécesseur passif peut être considéré comme un seul outil, comme un tournevis à lame plate. La clé du travail est un matériau transparent découvert par l'équipe qui modifie rapidement et de manière réversible sa structure atomique en réponse à la chaleur.
« Les applications ouvertes par la possibilité de reconfigurer rapidement les métasurfaces sont énormes, " dit Yifei Zhang, premier auteur d'un article relatant les dernières avancées dans un récent numéro de Nature Nanotechnologie . Zhang est un étudiant diplômé du Département de science et génie des matériaux (DMSE). « Nous sommes ravis car les travaux en cours surmontent plusieurs obstacles pour mettre en œuvre ces métasurfaces dans des applications du monde réel. »
Selon le professeur agrégé Arka Majumdar de l'Université de Washington, Seattle, de ces applications :« J'imagine [que] cette technologie pourrait révolutionner les réseaux de neurones optiques, détection de profondeur, et la technologie Lidar pour les voitures autonomes. » Majumdar n'a pas participé à la recherche.
Interrupteur électrique
Dans le Nature Nanotechnologie papier, les chercheurs du MIT décrivent l'utilisation de courants électriques pour modifier de manière réversible la structure matérielle - et donc les propriétés optiques - de la nouvelle métasurface. Autrefois, ils utilisaient des lasers encombrants ou un four pour fournir la chaleur nécessaire. "C'est important car nous pouvons désormais intégrer l'ensemble du dispositif optique actif, avec l'interrupteur électrique, sur puce de silicium pour former une plateforme optique miniaturisée, " dit Juejun Hu, chef de file des travaux et professeur agrégé de science et génie des matériaux en DMSE.
Gros plan sur la nouvelle métasurface du MIT, ou appareil optique plat à motifs d'une centaine, 000 structures nanométriques, qui est intégré sur une puce de silicium et peut être activé électriquement. Crédit :Yifei Zhang
L'équipe rapporte également la démonstration « d'une série de fonctions optiques accordables à l'aide de la plate-forme, ", dit Hu. Ceux-ci incluent un dispositif de direction de faisceau où "en commutant le matériau sur différentes structures [internes], nous pouvons envoyer de la lumière dans une direction par rapport à une autre, d'avant en arrière." La direction par faisceau est la clé des voitures autonomes, bien que Hu souligne que l'appareil que lui et ses collègues ont démontré est encore assez rudimentaire. "C'est plus une preuve de principe."
En plus de Zhang et Hu, les auteurs du nouveau document sont Junhao Liang, Bilal Azhar, Mikhaïl Y. Chalaginov, Skylar Deckoff-Jones, Carlos Rios, et Tian Gu, tout le MIT DMSE; Clayton Fowler, Sensong An, et Hualiang Zhang de l'Université du Massachusetts, Lowell ; Jeffrey B. Chou, Christopher M. Roberts, et Vladimir Liberman du MIT Lincoln Laboratory; Myungkoo Kang et Kathleen A. Richardson de l'Université de Floride centrale, et Clara Rivero-Baleine de Lockheed Martin Corporation. Hu et Gu sont également affiliés au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.
Un nouveau matériau
Les matériaux à changement de phase (PCM) changent de structure en réponse à la chaleur. Ils sont utilisés commercialement dans les CD et DVD réinscriptibles. Explique Hu, "un faisceau laser modifie localement la structure du matériau, d'amorphe à cristallin, et ce changement peut être utilisé pour coder des uns et des zéros, des informations numériques."
Cependant, les PCM conventionnels ont des limites en ce qui concerne les applications optiques. Pour un, ils sont opaques. Ils ne laisseront pas passer la lumière. "Cela nous a motivé à rechercher un nouveau matériau à changement de phase pour les dispositifs optiques qui soit transparent, " dit Hu. Plus tôt cette année, son équipe a signalé que l'ajout d'un autre élément, sélénium, à un PCM conventionnel a fait l'affaire.
Le nouveau matériel, composé de germanium, sélénium, antimoine, et tellure (GSST), est la clé de la nouvelle métasurface. La métasurface, à son tour, n'est pas qu'une mince pellicule de GSST, c'est un film de GSST d'environ un demi-millimètre carré à motifs d'environ 100, 000 structures nanométriques. Et ceux-ci, à son tour, "vous permettent de contrôler la propagation de la lumière. Vous pouvez ainsi transformer une collection de ces nanostructures en, par exemple, une lentille, " dit Hu.
Harish Bhaskaran est un professeur à l'Université d'Oxford qui n'a pas participé à la recherche. Il a commenté le travail dans son ensemble et les avancées rapportées dans le nouveau document :
"C'est un domaine de travail très important en tant que métasurfaces accordables, c'est à dire., surfaces qui peuvent moduler la réflexion de la lumière même si elles sont nominalement « plates » ou très minces, sont extrêmement intéressants. Ils peuvent réduire considérablement le volume des lentilles, qui bien sûr sont utilisés dans tout ce qui manipule la lumière. L'utilisation [du MIT] de matériaux à changement de phase à faible perte (c'est-à-dire, ils n'absorbent que très peu de lumière) offre une véritable voie pour en faire une réalité. Les auteurs sont également parmi les premiers à montrer le réglage dynamique à l'aide de radiateurs à commande électrique. » (Dans le même numéro de Nature Nanotechnologie une équipe de Stanford rapporte également le contrôle des métasurfaces avec un chauffage électrique en utilisant une approche différente.)
Selon un article de News &Views dans le même numéro de Nature Nanotechnologie sur les avancées du MIT et de Stanford, "ces travaux font une percée dans les métasurfaces accordables basées sur PCM." Cependant, les auteurs de News &Views soulignent que les deux approches présentent des inconvénients.
L'équipe Hu s'attaque à certains de ces inconvénients. Par exemple, le réchauffeur utilisé dans leur plate-forme d'optique miniaturisée est actuellement en métal. Mais "les métaux sont problématiques pour l'optique, car ils absorbent la lumière, " dit Hu. "Nous travaillons sur un nouvel appareil de chauffage en silicium qui est transparent."
Hu décrit le travail dans son ensemble comme particulièrement passionnant car il a commencé par la découverte d'un nouveau matériau que l'équipe a ensuite conçu pour une nouvelle application. « Cela va de l'innovation des matériaux à l'intégration des appareils, ce qui, je pense, est assez unique."
Le travail a été soutenu par l'Agence américaine des projets de recherche avancée pour la défense et l'US Air Force. Les chercheurs reconnaissent également l'utilisation des installations fournies par le MIT Materials Research Laboratory, les laboratoires de technologie des microsystèmes du MIT, et le Harvard University Center for Nanoscale Systems.
