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Des métamatériaux optiques aux propriétés inédites

Les dispositifs optiques non-linéaires sont essentiels pour contrôler la lumière dans le traitement de l'information, la génération de signaux pour les communications optiques et la collecte de lumière pour la production d'énergie solaire. Des chercheurs financés par l'UE ont développé leurs capacités grâce à des métamatériaux élaborés avec des propriétés uniques.
Des métamatériaux optiques aux propriétés inédites
Il existe maintenant des métamatériaux artificiels avec des propriétés non disponibles dans les matériaux naturels. Le comportement complexe de cette nouvelle catégorie de matériaux électromagnétiques est intéressant à la fois d'un point de vue fondamental et pratique. Des métamatériaux ont déjà été développés avec des réponses linéaires qui pourraient être utilisées pour améliorer les capteurs et même permettre l'invisibilité par dissimulation.

De manière similaire, le travail de recherche sur les propriétés physiques révolutionnaires des métamatériaux non-linéaires pourrait révolutionner le domaine de l'optique non-linéaire. Dans le cadre du projet META-PHOT (Light-matter interaction in smart optical materials), financé par l'UE, des chercheurs ont étudié l'origine et la conception des non-linéarités en s'intéressant à leur application dans les dispositifs optiques.

L'équipe META-PHOT a conçu de nouveaux effets optiques comme résultat des interactions lumineuses avec une couche ultramince de matériau structuré artificiellement au-dessus d'une couche de matériau conventionnel. De manière importante, ils ont démontré un nouveau concept de manipulation de phase locale lorsque la lumière passe au travers de cette métasurface basée sur des nanostructures plasmoniques.

Des antennes plasmoniques de taille nanométrique ont été disposées pour générer un état de polarisation spécial de la lumière, la polarisation circulaire. À partir de ce concept de nano-antenne, la longueur focale d'une lentille ultramince dépendait de l'état de polarisation, rendant le système optique facilement reconfigurable.

Dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé une couche ultramince d'antennes plasmoniques bien définies avec une épaisseur égale à seulement une fraction de la longueur d'ondes lumineuse utilisée. Un système laser réglable a fourni la longueur d'ondes requise pour évaluer ses performances et obtenir la preuve de règles de sélection pour des processus non-linéaires dans des matériaux naturels.

En plus de la lentille ultramince, un nouveau coupleur plasmonique d'ondes électromagnétiques de surface a été développé et permet d'exciter les ondes directionnelles le long de la métasurface. Cependant, outre la possibilité d'interaction lumière-matière supplémentaire, il existe de nombreux autres processus optiques non-linéaires fascinants dans les métasurfaces qui restent à explorer.

Le projet META-PHOT a mis en lumière le potentiel de la personnalisation de processus non-linéaires dans la conception d'éléments optiques complètement nouveaux pour les dispositifs nano-optiques, qui devraient élargir l'horizon de leurs applications.

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Mots-clés

Métamatériaux optiques, optique non-linéaire, META-PHOT, interaction lumière-matière, dispositifs nano-optiques