Dans un nouvel article publié le 1er mai dans la revue Science Advances , des chercheurs de Columbia Engineering ont utilisé des lasers de table disponibles dans le commerce pour créer de minuscules nanostructures, ou nanomotifs, atomiquement pointus, dans des échantillons d'un matériau 2D en couches appelé nitrure de bore hexagonal (hBN).
En explorant les applications potentielles de leurs structures nanostructurées avec des collègues du département de physique, l’équipe a découvert que leurs échantillons de hBN découpés au laser pouvaient créer et capturer efficacement des quasiparticules appelées phonons-polaritons, qui se produisent lorsque les vibrations atomiques d’un matériau se combinent avec des photons de lumière.
"Les nanomotifs sont un élément majeur du développement des matériaux", a expliqué le docteur en ingénierie. Cecilia Chen, étudiante, qui a dirigé le développement de la technique.
"Si vous souhaitez transformer un matériau sympa doté de propriétés intéressantes en quelque chose pouvant remplir des fonctions spécifiques, vous avez besoin d'un moyen de le modifier et de le contrôler."
La nouvelle technique de nanostructuration, développée dans le laboratoire du professeur Alexander Gaeta, est un moyen simple de modifier des matériaux avec la lumière, et elle n'implique pas une salle blanche coûteuse et gourmande en ressources.
Il existe plusieurs techniques bien établies pour modifier les matériaux et créer les nanomotifs souhaités, mais elles nécessitent généralement une formation approfondie et des frais généraux coûteux. Les machines de lithographie par faisceau d'électrons, par exemple, doivent être hébergées dans des salles blanches soigneusement contrôlées, tandis que les options laser existantes impliquent une chaleur élevée et des plasmas qui peuvent facilement endommager les échantillons; la taille du laser lui-même limite également la taille des motifs pouvant être créés.
La technique du laboratoire Gaeta tire parti de ce que l'on appelle dans la communauté de l'optique et de la photonique la « conduite optique ». Tous les matériaux vibrent selon une résonance particulière. Chen et ses collègues peuvent améliorer ces vibrations en réglant leurs lasers sur cette fréquence (correspondant à une longueur d'onde de 7,3 micromètres, dans le cas du hBN), ce qu'ils ont démontré pour la première fois dans une recherche publiée en novembre dernier dans Nature Communications. .
Dans les travaux récemment publiés, ils ont poussé le hBN à des vibrations encore plus intenses, mais plutôt que d’endommager la structure atomique sous-jacente, les lasers ont brisé proprement le réseau cristallin. Selon Chen, l'effet était visible au microscope et ressemblait à l'ouverture d'une fermeture éclair.
Les lignes résultantes à travers l’échantillon étaient atomiquement nettes et beaucoup plus petites (quelques nanomètres seulement) que les longueurs d’onde du laser infrarouge moyen utilisées pour les créer. "Habituellement, vous avez besoin d'une longueur d'onde plus courte pour créer un motif plus petit", a déclaré Chen. "Ici, nous pouvons créer des nanostructures très pointues en utilisant de très grandes longueurs d'onde. C'est un phénomène paradoxal."
Pour explorer ce qu'ils pourraient faire avec leurs échantillons à nanomotifs, l'équipe d'ingénieurs s'est associée au laboratoire du physicien Dmitri Basov, spécialisé dans la création et le contrôle d'effets nano-optiques dans différents matériaux 2D, notamment la création de polaritons de phonons dans le hBN.
Ces quasi-particules vibrantes peuvent aider les scientifiques à « voir » au-delà de la limite de diffraction des microscopes conventionnels et à détecter les caractéristiques du matériau qui donnent lieu à des phénomènes quantiques. Ils pourraient également constituer un élément clé de la miniaturisation des dispositifs optiques, dans la mesure où les composants électroniques sont devenus plus petits au fil des années.
"La société moderne est basée sur la miniaturisation, mais il a été beaucoup plus difficile de réduire les dispositifs qui dépendent de la lumière plutôt que des électrons", a expliqué le docteur en physique. étudiant et co-auteur Samuel Moore. "En exploitant les fortes vibrations atomiques du hBN, nous pouvons réduire les longueurs d'onde de la lumière infrarouge de plusieurs ordres de grandeur."
Des bords ultra-pointus sont nécessaires pour exciter les polaritons des phonons. Normalement, ils sont lancés depuis les côtés de flocons de hBN préparés via ce que l'on appelle la méthode du « scotch », dans laquelle un cristal en vrac est mécaniquement pelé en couches plus fines à l'aide de ruban adhésif domestique. Cependant, l'équipe a constaté que les lignes découpées au laser offrent des conditions encore plus favorables pour créer les quasi-particules.
"Il est impressionnant de voir comment les régions hBN découpées au laser lancent des polaritons de phonons encore plus efficacement que le bord, suggérant une région hBN ultra-étroite décompressée qui interagit fortement avec la lumière infrarouge", a déclaré Moore.
Comme la nouvelle technique peut créer des nanostructures n’importe où sur un échantillon, ils ont également décompressé deux lignes en parallèle. Cela crée une petite cavité qui peut confiner les polaritons phonons en place, ce qui améliore leur sensibilité nano-optique. L'équipe a constaté que leurs cavités non zippées avaient des performances comparables en matière de capture des quasi-particules aux cavités conventionnelles créées dans les salles blanches.
"Nos résultats suggèrent que nos structures préliminaires peuvent rivaliser avec celles créées à partir de méthodes plus établies", a noté Chen.
La technique peut créer de nombreux nanomodèles personnalisables. Au-delà des cavités à deux lignes, il peut créer un nombre illimité de lignes parallèles. Si de tels réseaux pouvaient être produits à la demande avec n'importe quel espacement souhaité, cela pourrait grandement améliorer la capacité d'imagerie des phonons-polaritons et constituerait une énorme réussite, a déclaré Moore.
Une fois commencée, une pause peut être prolongée aussi longtemps que vous le souhaitez, et des échantillons aussi épais que 80 nanomètres et aussi fins que 24 nanomètres ont été décompressés ; en théorie, la limite pourrait être beaucoup plus basse.
Cela donne aux chercheurs de nombreuses options pour modifier le hBN et explorer comment ses nanomotifs peuvent influencer ses propriétés résultantes, sans avoir à enfiler une combinaison de lapin en salle blanche. "Cela dépend vraiment de votre objectif ultime", a déclaré Chen.
Cela dit, elle voit encore beaucoup de choses à améliorer. Parce que hBN est une série d'hexagones répétitifs, la technique ne produit pour le moment que des lignes droites ou angulaires se rencontrant à 60° ou 120°, bien que Chen pense que les combiner en triangles devrait être possible.
Actuellement, les ruptures ne peuvent également se produire que dans le plan ; S’ils peuvent déterminer comment cibler les vibrations hors du plan, ils pourraient potentiellement réduire un cristal en vrac en différentes formes tridimensionnelles. Ils sont également limités par la puissance de leurs lasers, qu’ils ont passé des années à régler soigneusement pour fonctionner de manière stable aux longueurs d’onde souhaitées. Bien que leur configuration infrarouge moyen soit bien adaptée à la modification du hBN, différents lasers seraient nécessaires pour modifier les matériaux avec différentes résonances.
Quoi qu'il en soit, Chen est enthousiasmé par le concept de l'équipe et par ce qu'elle pourrait accomplir à l'avenir. En tant que membre du sous-groupe des lasers ultrarapides du Gaeta Lab, Chen a contribué à leur transition de la création et de l'étude de lasers de haute puissance à leur utilisation comme outils pour sonder les propriétés optiques des matériaux 2D.
Ce problème partageait des similitudes avec d'autres problèmes auxquels Chen s'attaque lorsqu'elle était en dehors du laboratoire en tant que boulderer, une forme d'escalade dans laquelle les grimpeurs escaladent des parois rocheuses basses et accidentées sans harnais pour les attraper s'ils tombent.
"En bloc, les voies d'escalade potentielles sont appelées des problèmes, et il n'y a pas de bonne réponse pour les résoudre", a-t-elle déclaré. Les meilleures solutions ne peuvent pas être forcées brutalement, a-t-elle poursuivi :"Vous devez élaborer un plan sinon vous ne réussirez pas, qu'il s'agisse de trouver comment exploiter les caractéristiques macroscopiques d'un rocher ou les caractéristiques microscopiques d'un minuscule cristal." P>
Plus d'informations : Cecilia Y. Chen et al, Décompression du hBN avec des impulsions infrarouges moyennes ultracourtes, Science Advances (2024). DOI :10.1126/sciadv.adi3653
Informations sur le journal : Communications naturelles , Progrès scientifiques
Fourni par l'École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université Columbia
