Un revêtement matériel, dont les propriétés de réfraction de la lumière peuvent être commutées avec précision entre différents états, a été développé par une équipe de recherche interdisciplinaire des départements de chimie et de physique de l'université d'Iéna. L'équipe, dirigée par Felix Schacher, Sarah Walden, Purushottam Poudel et Isabelle Staude, a combiné des polymères qui réagissent à la lumière avec ce qu'on appelle des métasurfaces.
Cette innovation a conduit à la création de nouveaux composants optiques potentiellement utilisés dans le traitement du signal. Leurs résultats ont été publiés dans la revue ACS Nano .
"Les métasurfaces et les polymères photosensibles sont connus en principe depuis des décennies", explique Sarah Walden de l'Institut de physique du solide, qui dirige aujourd'hui un groupe de recherche en Australie. Elle ajoute :"Mais nous sommes les premiers à combiner les deux sous cette forme pour développer de nouveaux composants pour des applications optiques."
Les métasurfaces sont des couches minces nanostructurées dont les tailles structurelles caractéristiques sont inférieures à la longueur d'onde de la lumière. Cela permet d'influencer spécifiquement les propriétés de la lumière et sa propagation, permettant ainsi diverses fonctions optiques qui seraient autrement assurées par des lentilles, des polariseurs ou des réseaux. D'un autre côté, les polymères commutables sont des plastiques dont les propriétés, telles que l'indice de réfraction de la lumière, peuvent changer entre différents états.
"Les polymères que nous avons utilisés contiennent des molécules colorantes", poursuit Felix Schacher de l'Institut de chimie organique et macromoléculaire. "Cela signifie qu'ils absorbent la lumière d'une certaine longueur d'onde et, ce faisant, modifient leur structure et donc leurs propriétés, comme l'indice de réfraction de la lumière dans ce cas."
Pour ramener le colorant à sa structure précédente avec la propriété correspondante, une lumière d’une longueur d’onde différente est nécessaire. "La particularité de notre système", explique la physicienne Isabelle Staude, "c'est que les changements d'indice de réfraction affectent les propriétés optiques de la métasurface lorsqu'elle est recouverte d'un tel polymère."
Les changements obtenus étaient étonnamment significatifs, même par rapport aux systèmes similaires connus auparavant. "Comme les polymères présentent une absorption différente selon le colorant, différents effets peuvent être très bien séparés les uns des autres ou combinés", résume le physicien.
En plus de ce résultat prometteur, l’équipe a fait une découverte surprenante. "Dans notre travail, nous avons utilisé deux colorants différents séparément, chacun appliqué sur une métasurface. Cela a confirmé l'effet", précise Schacher. "Cependant, lors du mélange des deux polymères commutables, des effets supplémentaires se produisent", rapporte-t-il. "Nous soupçonnons que les deux molécules de colorant différentes interagissent les unes avec les autres, mais nous ne pouvons pas le dire avec certitude à ce stade." Des investigations supplémentaires sont nécessaires pour clarifier ce comportement intéressant.
Bien que l’objectif principal de ces surfaces commutables soit de démontrer le principe de base, le groupe de recherche peut envisager plusieurs applications. "Étant donné que ces surfaces peuvent passer d'un état de propriété à l'autre grâce à la lumière, la technologie des capteurs constitue un domaine d'application naturel", affirment les chercheurs.
Il est également concevable que de telles surfaces commutables puissent être utilisées pour le traitement optique de données. "Bien sûr, notre équipe serait ravie si ces composants pouvaient être utilisés par exemple pour des réseaux de neurones optiques, qui pourraient alors traiter les informations d'image de la même manière que l'intelligence artificielle électronique le peut aujourd'hui", explique Schacher.
"Cependant, comme ce type de traitement de données repose sur la lumière plutôt que sur l'électronique, il est nettement plus économe en énergie et plus rapide que l'IA informatique traditionnelle."
Plus d'informations : Sarah L. Walden et al, Réglage bicolore à résolution spatiale des métasurfaces recouvertes de polymère, ACS Nano (2024). DOI :10.1021/acsnano.3c11760
Informations sur le journal : ACS Nano
Fourni par l'Université Friedrich Schiller de Jena
