Des physiciens de l'Université du Texas à Dallas et leurs collaborateurs de l'Université de Yale ont fait la démonstration d'un capteur quantique intelligent, d'une finesse atomique, capable de détecter simultanément toutes les propriétés fondamentales d'une onde lumineuse entrante.

La recherche, publiée le 13 avril dans la revue Nature , présente un nouveau concept basé sur la géométrie quantique qui pourrait être utilisé dans les applications de soins de santé, d'exploration de l'espace lointain et de télédétection.

"Nous sommes enthousiasmés par ce travail car généralement, lorsque vous souhaitez caractériser une onde lumineuse, vous devez utiliser différents instruments pour collecter des informations, telles que l'intensité, la longueur d'onde et l'état de polarisation de la lumière. Ces instruments sont volumineux et peuvent occuper une zone importante sur une table optique », a déclaré le Dr Fan Zhang, auteur correspondant de l'étude et professeur agrégé de physique à l'École des sciences naturelles et des mathématiques.

"Nous avons maintenant un seul appareil, juste une puce minuscule et fine, qui peut déterminer toutes ces propriétés simultanément en très peu de temps", a-t-il déclaré.

Le dispositif exploite les propriétés physiques uniques d'une nouvelle famille de matériaux bidimensionnels appelés métamatériaux moirés. Zhang, un physicien théoricien, a publié un article de synthèse sur ces matériaux le 2 février dans Nature .

Les matériaux 2D ont des structures périodiques et sont atomiquement minces. Si deux couches d'un tel matériau sont superposées avec une petite torsion de rotation, un motif moiré avec une périodicité émergente plus grande d'ordres de grandeur peut se former. Le métamatériau moiré résultant donne des propriétés électroniques qui diffèrent considérablement de celles présentées par une seule couche seule ou par deux couches naturellement alignées.

Le dispositif de détection que Zhang et ses collègues ont choisi pour démontrer leur nouvelle idée incorpore deux couches de graphène bicouche naturel relativement torsadé, pour un total de quatre couches atomiques.

"Le métamatériau moiré présente ce qu'on appelle un effet photovoltaïque massif, ce qui est inhabituel", a déclaré Patrick Cheung, doctorant en physique à l'UT Dallas et co-auteur principal de l'étude. "Normalement, vous devez appliquer une polarisation de tension pour produire un courant dans un matériau. Mais ici, il n'y a pas de polarisation du tout ; nous éclairons simplement le métamatériau moiré, et la lumière génère un courant via cet effet photovoltaïque massif. L'amplitude et la phase de la phototension dépendent fortement de l'intensité lumineuse, de la longueur d'onde et de l'état de polarisation."

En ajustant le métamatériau moiré, la phototension générée par une onde lumineuse entrante donnée crée une carte 2D qui est unique à cette onde - comme une empreinte digitale - et à partir de laquelle les propriétés de l'onde pourraient être déduites, bien que cela soit difficile, a déclaré Zhang. /P>

Les chercheurs du laboratoire du Dr Fengnian Xia à l'Université de Yale, qui ont construit et testé l'appareil, ont placé deux plaques métalliques, ou portes, sur et sous le métamatériau moiré. Les deux portes ont permis aux chercheurs d'ajuster les propriétés géométriques quantiques du matériau pour coder les propriétés des ondes lumineuses infrarouges en "empreintes digitales".

L'équipe a ensuite utilisé un réseau neuronal convolutif, un algorithme d'intelligence artificielle largement utilisé pour la reconnaissance d'images, pour décoder les empreintes digitales.

"Nous commençons avec une lumière dont nous connaissons l'intensité, la longueur d'onde et la polarisation, la faisons briller à travers l'appareil et la réglons de différentes manières pour générer différentes empreintes digitales", a déclaré Cheung. "Après avoir entraîné le réseau de neurones avec un ensemble de données d'environ 10 000 exemples, le réseau est capable de reconnaître les modèles associés à ces empreintes digitales. Une fois qu'il en apprend suffisamment, il peut caractériser une lumière inconnue."

Cheung a effectué des calculs et des analyses théoriques à l'aide des ressources du Texas Advanced Computing Center, une installation de superordinateurs sur le campus de l'UT Austin.

"Patrick était doué pour les calculs analytiques au crayon et au papier - c'est mon style - mais maintenant il est devenu un expert dans l'utilisation d'un supercalculateur, ce qui est nécessaire pour ce travail", a déclaré Zhang. "D'une part, notre travail en tant que chercheurs consiste à découvrir de nouvelles sciences. D'autre part, nous, les conseillers, voulons aider nos étudiants à découvrir ce dans quoi ils sont les meilleurs. Je suis très heureux que Patrick et moi ayons compris les deux." + Explorer plus loin

Un capteur quantique intelligent qui détecte simultanément l'intensité, la polarisation et la longueur d'onde de la lumière