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Hybrid Photonic Metamaterials at the Multiscale

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Des métamatériaux photoniques hybrides multi-échelle

Les matériaux hybrides nanostructurés selon une modélisation multi-échelle devraient faciliter le contrôle de la propagation de la lumière sur une puce et ouvrir la voie à de nouveaux dispositifs photoniques.

Technologies industrielles

Le secteur de l'optique évolue rapidement et deux nouveaux domaines de recherche concernent les métamatériaux optiques et photoniques. Le premier étudie les phénomènes à l'échelle moyenne, dans lesquels des paquets de lumière sont traités un peu comme des électrons en électronique. Le second aborde les structures à l'échelle nanoscopique, dans des dimensions de sous-longueur d'onde qui révèlent des propriétés autrement peu décelables. Le fait de combiner ces deux types de structure d'une façon contrôlée dans des dispositifs hybrides pourrait donner des fonctionnalités qu'on n'avait encore jamais imaginées. Les modèles multi-échelle développés dans le cadre du projet HYPHONE (Hybrid photonic metamaterials at the multiscale), financé par l'UE, facilitent déjà le processus de conception. La recherche se concentre sur les métamatériaux hyperboliques, l'une des nouvelles classes de métamatériaux électromagnétiques les plus inhabituelles et les plus intéressantes. Le cadre théorique décrit la propagation des ondes dans des milieux non homogènes constitués de plusieurs couches métalliques et diélectriques à structure hybride. Ces milieux exploitent simultanément les phénomènes photoniques et les ondes plasmoniques en conditions exotiques, spécifiques aux métamatériaux hyperboliques, produits par le couplage des électrons avec la lumière dans un environnement exotique métallique et diélectrique à l'échelle nanoscopique. Le travail d'étude a commencé en utilisant des monocouches plasmoniques 1D comme blocs de construction, qui ont été associés à des multicouches plasmoniques et ensuite à des métamatériaux hyperboliques multi-échelle sur plusieurs niveaux. Les scientifiques poursuivent actuellement les expérimentations sur ces métamatériaux hyperboliques multi-échelle. Ils pourraient permettre de réaliser une imagerie biologique sans étiquetage et une manipulation de résolution nanoscopique, poussant ainsi les frontières de la biologie et de la chimie modernes. En portant une attention particulière à la maximisation des effets de l'interaction photon-électron, les principes de la conception 1D ont pu être étendus aux structures 2D à base de réseaux de nanoparticules et de membranes à micro-fentes. L'équipe a découvert de nouveaux effets photoélectriques dans les réseaux de nanoparticules qui pourraient ouvrir la voie à de nouveaux photo-détecteurs et cellules solaires ainsi qu'à de nouvelles méthodes en photocatalyse, photochimie et photo-électrochimie. Le travail expérimental a confirmé la prévision théorique des propriétés de contrôle de polarisation des membranes à micro-fentes dans le rayonnement térahertz. Cette très haute fréquence convient pour de nombreuses applications de pointe dans le domaine de la spectroscopie, de l'imagerie médicale et de la sécurité. Les modèles et les résultats expérimentaux HYPHONE ont comblé les lacunes de la recherche en photonique et métamatériaux, ouvrant la voie à de nouveaux dispositifs pour les applications optiques intégrées. Parallèlement, le consortium a formé une nouvelle génération de scientifiques prêts à pousser les frontières d'un domaine pluridisciplinaire émergent pouvant avoir un impact socioéconomique important.

Mots‑clés

Électromagnétique, métamatériaux, multi-échelle, hybride, photonique, plasmonique, super-résolution, photoélectricité, polarisation, multicouche

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