Freiner la lumière à l’échelle nanométrique

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Espagne | Science de la matière : matériaux, physique, chimie, optique
16 novembre 2015

La vitesse de la lumière dans le vide est constante et environ égale à un peu moins de 300 millions de mètres par seconde. Elle peut néanmoins varier lorsqu’elle change de milieu. Le CIC nanoGUNE (Pays Basque) a étudié la manière dont la lumière se propage dans un type de matériaux particulier appelés matériaux hyperboliques, composés de fines couches de nitrure de bore. Ils ont découvert que la lumière s’y déplaçait plus lentement et « à contresens ».

Les matériaux hyperboliques sont des solides très spéciaux se comportant comme un métal dans une direction, laissant passer le courant, mais comme un isolant dans la direction perpendiculaire à celle-ci. Jusqu’à présent, ces matériaux ont été utilisés pour fabriquer des nanostructures complexes permettant la projection d’images à des longueurs d’onde très faibles, et ainsi contrôler la lumière à l’échelle nanométrique.
Toutefois, afin d’exploiter le maximum du potentiel de ce nouveau type de matériaux, il est nécessaire d’étudier et de comprendre comment se comporte la lumière à l’intérieur de celui-ci.

"La difficulté des expériences réalisées se trouve dans la longueur d’onde de la lumière, extrêmement faible, quand elle est à l’intérieure d’un matériau hyperbolique », explique le chercheur Rainer Hillenbrand, titulaire du label d’excellence « Ikerbasque » et leader du groupe de Nanooptique de nanoGUNE. Hillenbrand a publié récemment un article dans la revue Nature Photonics, en collaboration avec des chercheurs du ICFO (Barcelone) et financé par le projet Graphène Flagship de l’Union Européenne, sur l’étude de la vitesse de la lumière à l’intérieur des matériaux légers hyperboliques.
« Quand la lumière entre à l’intérieur de ce type de matériau - dans notre cas, le nitrure de bore-, elle voyage d’une manière semblable à ce qu’on nomme polariton, où la lumière est couplée aux vibrations propres du matériau", ajoute-t-il.
Ces polaritons se comportent comme une épée à double tranchant. En effet, d’une part, ils compriment la lumière en de très petits volumes. Cette propriété se révèle utile pour un large éventail d’applications nécessitant la manipulation de la lumière dans des espaces très petits, tels que la détection et l’identification de molécules individuellement. Mais d’autre part, son immense confinement requiert le développement de techniques spéciales pour observer son comportement.

Espace et temps

Edward Yoxall, chercheur ayant effectué les expériences au sein de nanoGUNE au côté de Martin Schnell, précise : « La longueur d’onde d’un polariton est si petite que nous ne pouvons pas utiliser les équipements d’optique « classique », comme les lentilles ou les caméras, pour obtenir des images. Nous devons utiliser un microscope spécial capable de voir des détails 1000 fois plus petits qu’un microscope à infrarouge standard ». Ce microscope permet de visualiser des « objets » mesurant 10 nanomètres.
"Le suivi des polaritons n’est pas seulement rendu compliqué par la résolution spéciale que nous devons adoptée," continue Yoxall. "Si nous souhaitons observer le déplacement d’un polariton, il nous faut le voir dans l’espace mais également dans le temps. Cela peut être rendu possible via l’émission de scintillements très courts de lumière ou d’impulsions, d’une durée aussi courte que 100 femtosecondes (moins d’un millionième de millionième de seconde) ".
L’utilisation de ces scintillements, couplée à l’utilisation d’un microscope à champ proche, permet aux chercheurs d’observer les polaritons passant à différents endroits à l’intérieur du nitrure de bore, et d’en déduire une vitesse.
Les informations espace/temps recueillies au cours de l’expérience ont permis aux scientifiques de déterminer le chemin des polaritons, et d’observer certains comportements intrigants.
"Nous avons observé que la lumière était plus lente dans ce matériau et que, de plus, elle pouvait voyager « à contresens » : les ondes du polariton pourraient donc voyager dans le sens opposé à son flux d’énergie », explique Hillenbrand.
"L’un des résultats les plus intéressants est la vitesse à laquelle se déplace le polariton," dit Yoxall. " L’étude de la lumière lente présente un grand intérêt, et nous avons montré par ce travail une nouvelle manière de l’obtenir."
La lumière lente dans les structures photoniques conventionnelles possède un grand potentiel pour des applications dans les technologies de détection et de communication, en raison de l’amélioration de l’interaction lumière-matière. Le confinement immense de la lumière pouvant être atteint dans ces matériaux hyperboliques pourrait aider à la miniaturisation des dispositifs.

Référence bibliographique

E. Yoxall, M. Schnell, A. Y. Nikitin, O. Txoperena, A. Woessner, M. B. Lundeberg, F. Casanova, L. E. Hueso, F. H. L. Koppens and R. Hillenbrand. "Direct observation of ultraslow hyperbolic polariton propagation with negative phase velocity". Nature Photonics (DOI 10.1038/nphoton.2015.166)

Source

Nanogune - http://www.nanogune.eu/es/noticias/frenando-la-luz-en-la-nanoescala

Rédacteur

Nicolas Urai - Nicolas.urai[a]diplomatie.gouv.fr

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