Un matériau nano-architecturé nouvellement créé présente une propriété qui n'était auparavant que théoriquement possible :il peut réfracter la lumière vers l'arrière, quel que soit l'angle sous lequel la lumière frappe le matériau.

Cette propriété est connue sous le nom de réfraction négative et signifie que l'indice de réfraction (la vitesse à laquelle la lumière peut traverser un matériau donné) est négatif sur une partie du spectre électromagnétique sous tous les angles.

La réfraction est une propriété commune aux matériaux; pensez à la façon dont une paille dans un verre d'eau semble décalée sur le côté, ou à la façon dont les lentilles des lunettes concentrent la lumière. Mais la réfraction négative ne consiste pas seulement à déplacer la lumière de quelques degrés vers un côté. Au contraire, la lumière est envoyée dans un angle complètement opposé à celui auquel elle est entrée dans le matériau. Cela n'a pas été observé dans la nature mais, à partir des années 1960, on a théorisé qu'il se produisait dans des matériaux dits artificiellement périodiques, c'est-à-dire des matériaux construits pour avoir un modèle structurel spécifique. Ce n'est que maintenant que les processus de fabrication ont rattrapé la théorie pour faire de la réfraction négative une réalité.

« La réfraction négative est cruciale pour l'avenir de la nanophotonique, qui cherche à comprendre et à manipuler le comportement de la lumière lorsqu'elle interagit avec des matériaux ou des structures solides aux plus petites échelles possibles », déclare Julia R. Greer, professeure Ruben F. et Donna Mettler de Caltech. de la science des matériaux, de la mécanique et du génie médical, et l'un des principaux auteurs d'un article décrivant le nouveau matériau. L'article a été publié dans Nano Letters le 21 octobre.

Le nouveau matériau atteint sa propriété inhabituelle grâce à une combinaison d'organisation à l'échelle nanométrique et microscopique et à l'ajout d'un revêtement d'un film mince de germanium métallique par le biais d'un processus à forte intensité de temps et de main-d'œuvre. Greer est un pionnier dans la création de tels matériaux nano-architecturés, c'est-à-dire des matériaux dont la structure est conçue et organisée à l'échelle du nanomètre et qui présentent par conséquent des propriétés inhabituelles, souvent surprenantes - par exemple, des céramiques exceptionnellement légères qui reprennent leur forme d'origine, comme une éponge, après avoir été comprimée.

Au microscope électronique, la structure du nouveau matériau ressemble à un réseau de cubes creux. Chaque cube est si petit que la largeur des faisceaux qui composent la structure du cube est 100 fois plus petite que la largeur d'un cheveu humain. Le réseau a été construit à l'aide d'un matériau polymère, qui est relativement facile à travailler en impression 3D, puis recouvert de germanium métallique.

"La combinaison de la structure et du revêtement confère au réseau cette propriété inhabituelle", déclare Ryan Ng (MS '16, Ph.D. '20), auteur correspondant de l'article Nano Letters. Ng a mené cette recherche alors qu'il était étudiant diplômé dans le laboratoire de Greer et est maintenant chercheur postdoctoral à l'Institut catalan de nanosciences et de nanotechnologies en Espagne. L'équipe de recherche s'est concentrée sur la structure et le matériau du réseau cubique comme étant la bonne combinaison grâce à un processus de modélisation informatique minutieux (et en sachant que le géranium est un matériau à indice élevé).

Pour obtenir le polymère enrobé uniformément à cette échelle avec un métal, l'équipe de recherche a dû développer une méthode entièrement nouvelle. Finalement, Ng, Greer et leurs collègues ont utilisé une technique de pulvérisation dans laquelle un disque de germanium était bombardé avec des ions à haute énergie qui projetaient des atomes de germanium hors du disque et sur la surface du réseau polymère. "Il n'est pas facile d'obtenir un revêtement uniforme", déclare Ng. "Il a fallu beaucoup de temps et beaucoup d'efforts pour optimiser ce processus."

La technologie a des applications potentielles pour les télécommunications, l'imagerie médicale, le camouflage radar et l'informatique.

En 1965, l'ancien élève de Caltech Gordon Moore (Ph.D. '54), membre à vie du conseil d'administration de Caltech, a prédit que les circuits intégrés deviendraient deux fois plus compliqués et moitié moins chers tous les deux ans. Cependant, en raison des limites fondamentales de la dissipation de puissance et de la densité des transistors autorisées par les semi-conducteurs au silicium actuels, la mise à l'échelle prédite par la loi de Moore devrait bientôt prendre fin. "Nous atteignons la fin de notre capacité à suivre la loi de Moore ; fabriquer des transistors électroniques aussi petits que possible", déclare Ng. Les travaux en cours sont une étape vers la démonstration des propriétés optiques qui seraient nécessaires pour activer les circuits photoniques 3D. Parce que la lumière se déplace beaucoup plus rapidement que les électrons, les circuits photoniques 3D, en théorie, seraient beaucoup plus rapides que les circuits traditionnels.

Les Nano Lettres l'article s'intitule « Cartographie de dispersion dans des réseaux de cristaux photoniques noyau-coque tridimensionnels capables de réfraction négative dans l'infrarouge moyen ». + Explorer plus loin

Les nouveaux matériaux présentent une double personnalité