Percée du contrôle de la lumière

May 20, 2023

Par Pohang University of Science & Technology (POSTECH)24 mai 2023

Schéma de principe d'une métagrille qui convertit normalement la lumière incidente en SPP unidirectionnels. La cellule unitaire du métaréseau est constituée de deux nanostructures différentes et induit des pertes optiques adaptées. Crédit : POSTECH

Des scientifiques de POSTECH en Corée et de la Northeastern University aux États-Unis ont réussi à manipuler la lumière à l'aide de méta-réseaux non hermitiens, transformant la perte optique en un outil bénéfique. Ils ont développé une nouvelle méthode pour contrôler la direction de la lumière à l'aide de coupleurs méta-réseaux spécialement conçus. Cette percée pourrait faire progresser la recherche sur les capteurs quantiques et conduire à une gamme de nouvelles applications, telles que le diagnostic des maladies et la détection de la pollution.

La lumière est un phénomène physique très délicat et vulnérable. La lumière peut être absorbée ou réfléchie à la surface d'un matériau selon les propriétés de la matière ou changer de forme et être convertie en énergie thermique. En atteignant la surface d'un matériau métallique, la lumière a également tendance à perdre de l'énergie au profit des électrons à l'intérieur du métal, un large éventail de phénomènes que nous appelons "perte optique".

La production d'éléments optiques ultra-petits qui utilisent la lumière de diverses manières est très difficile car plus la taille d'un composant optique est petite, plus la perte optique est importante. Cependant, ces dernières années, la théorie non hermitienne, qui utilise la perte optique d'une manière entièrement différente, a été appliquée à la recherche en optique. De nouvelles découvertes en physique sont faites en adoptant une théorie non hermitienne qui englobe la perte optique, explorant les moyens d'utiliser le phénomène, contrairement à la physique générale où la perte optique est perçue comme un composant imparfait d'un système optique. Une « bénédiction déguisée » est ce qui semble initialement être un désastre mais qui se traduit finalement par de la chance. Cette histoire de recherche est une bénédiction déguisée en physique.

Visualisation de la lumière incidente sur un métaréseau et sa conversion en SPP unidirectionnels. (Simulation) Crédit : POSTECH

Prof. Junsuk Rho (Departments of Mechanical Engineering and Chemical Engineering) from POSTECH and PhD candidates Heonyeong Jeong and Seokwoo Kim (Mechanical Engineering) from POSTECH, and Prof. Yongmin Liu of Northeastern University (NEU) in Boston and their joint research team were able to control the direction of light beams using non-Hermitian meta-grating systems. The paper was featured in Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Science Advances, la revue académique internationale.

Lorsque la lumière tombe sur une surface métallique, les électrons du métal oscillent collectivement comme un seul corps avec l'onde lumineuse. Le phénomène est appelé polariton des plasmons de surface ou SPP. Un «coupleur de réseau» est largement utilisé comme dispositif auxiliaire pour contrôler les directions des SPP. L'efficacité du dispositif est limitée en ce qu'il convertit la lumière incidente à angle droit en SPP dans des directions non souhaitées.

Observation de la figure d'interférence entre le SPP se propageant vers la droite et le SPP réfléchi par le métaréseau. En raison de l'unidirectionnalité du métaréseau, le SPP ne transmet pas à travers le métagrille dans la direction opposée. Crédit : POSTECH

L'équipe de recherche a appliqué une théorie non hermitienne pour surmonter cet inconvénient. Pour commencer, l'équipe a calculé le point théorique exceptionnel près duquel une certaine perte optique se produit. Ensuite, ils ont validé son efficacité par des expériences utilisant leur coupleur méta-réseau non hermitien spécialement conçu. Le coupleur de méta-réseau s'est avéré efficace pour fournir un contrôle unidirectionnel des SSP, ce qui était presque impossible avec d'autres coupleurs de réseau. Ils pourraient également faire en sorte que la lumière et le SPP se propagent dans des directions opposées en contrôlant la taille et la distance des méta-réseaux. L'équipe de recherche a réussi à convertir la lumière incidente en SSP en lumière normale en utilisant le même dispositif de méta-réseau.

Les résultats de la recherche peuvent être utiles dans la recherche sur les capteurs quantiques dans divers domaines, tels que la détection d'antigènes pour le diagnostic de maladies ou de gaz nocifs dans l'atmosphère, qui, combinés à l'ingénierie, pourraient ouvrir la porte à un large éventail d'applications. Le professeur Junsuk Rho, qui dirigeait l'équipe, a déclaré : « Cette recherche a amené l'optique non hermitienne sur le territoire à l'échelle nanométrique. Elle contribuera au développement de futurs dispositifs plasmoniques dotés d'une excellente contrôlabilité de direction et de performances.

Référence : "Subwavelength control of light transport at the exceptionnelle point by non-Hermitian metagratings" par Yihao Xu, Lin Li, Heonyeong Jeong, Seokwoo Kim, Inki Kim, Junsuk Rho et Yongmin Liu, 12 mai 2023, Science Advances.DOI : 10.1126 /sciadv.adf3510

La recherche a été financée par la US National Science Foundation, la Samsung Science and Technology Foundation et la National Research Foundation of Korea.