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Functional 2D metamaterials at visible wavelengths

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Des miroirs «métamorphosants» créés à l’aide de motifs à l’échelle nanométrique

Des réseaux de minuscules blocs rectangulaires peuvent transformer des matériaux ordinaires en métasurfaces, permettant aux scientifiques de contrôler avec précision la façon dont la lumière interagit avec l’objet.

Recherche fondamentale

Au cours des trente dernières années, la photonique a connu d’importants développements technologiques, devenant un élément central des applications de navigation, de télédétection et de communication. Cependant, la manipulation de la lumière implique généralement l’utilisation de lentilles optiques qui peuvent se révéler encombrantes, lourdes et fragiles. Le projet FLATLIGHT, financé par l’UE, soutient la miniaturisation de l’optique et de l’optoélectronique en utilisant un système alternatif pour guider et façonner la lumière. «Nous concevons des dispositifs optiques qui reproduisent les lentilles et les prismes optiques volumineux en utilisant des interfaces nanostructurées», explique Patrice Genevet, coordinateur du projet.

Contrôle de la lumière

Son équipe du Centre de Recherche pour l’Hétéroépitaxie et ses Applications (CRHEA) de l’Université Côte d’Azur a élaboré des interfaces d’une épaisseur de seulement un micron, contenant des réseaux de blocs rectangulaires nanométriques dont la taille, la forme et l’espacement sont étroitement contrôlés. «Ces composants façonnent la lumière en modifiant les propriétés du champ électromagnétique, c’est-à-dire l’amplitude, la phase, la polarisation et la fréquence, sur un matériau plus fin que le centième du diamètre d’un cheveu humain», explique Patrice Genevet. «L’objectif de FLATLIGHT est de fabriquer des métasurfaces fonctionnant dans la gamme des longueurs d’onde visibles en utilisant des matériaux semi-conducteurs nanostructurés qui contrôlent l’émission, la transmission et la réflexion de la lumière à l’interface.» À titre d’exemple, certaines nanostructures peuvent courber la lumière dans une direction arbitraire lorsque celle-ci traverse l’interface. En faisant varier avec précision le motif sur la surface, la lumière passant sur les bords peut être plus courbée qu’au centre, ce qui concentre le faisceau. «Ce sont des métasurfaces, c’est-à-dire des surfaces dont les fonctionnalités vont au-delà des interfaces classiques», ajoute Patrice Genevet. «Les capacités d’adressage de la lumière des métasurfaces sont uniques, vous ne trouverez pas d’effets similaires dans d’autres dispositifs optiques.» L’une des applications concerne les diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), de minuscules composants électroniques utilisés pour émettre une lumière laser haute fréquence et de faible puissance. Elles sont au cœur d’applications telles que le LIDAR nécessaire à la reconnaissance faciale des smartphones. En modelant la surface de la diode laser, Patrice Genevet et son équipe ont démontré que la lumière émise pouvait être façonnée à volonté, réduisant ainsi la divergence et supprimant le besoin de recourir à une lentille de collimation supplémentaire.

Dispositifs d’occultation

Les nanostructures peuvent également améliorer les lentilles optiques traditionnelles, qui pâtissent de défauts inhérents appelés aberrations. Par exemple, une aberration chromatique se produit lorsque des couleurs différentes de la lumière sont réfractées à des amplitudes différentes, donnant à l’image résultante des franges arc-en-ciel. Graver des nanostructures à la surface de la lentille pourrait compenser ce phénomène. La technologie peut également être utilisée pour fabriquer des LED dotées de propriétés plus avancées, telles que la polarisation et l’éclairage directionnel, ce qui permettrait de créer des écrans holographiques compacts. «Une autre application intéressante est l’occultation», ajoute Patrice Genevet. «Imaginez qu’une interface soit enroulée autour d’un objet et qu’elle reflète l’image de quelque chose d’autre. Il s’agirait d’un nouveau type d’interface d’occultation, capable de transformer une chose en quelque chose d’autre, concrétisant ainsi le sortilège de métamorphose d’Harry Potter.» Les travaux ont été soutenus par le Conseil européen de la recherche. «Il est bien évident que sans le soutien du CER, rien de cela n’aurait été possible», fait remarquer Patrice Genevet. «Cela a constitué une opportunité incroyable d’établir mon programme, de développer toutes les recettes de nanofabrication connexes, tous les programmes de conception et de mettre en place le laboratoire de caractérisation optique.» Patrice Genevet envisage maintenant de demander une subvention de consolidation pour poursuivre ses recherches. «Nous avons développé de nouvelles idées étonnantes, et nous avons maintenant une vision claire de ce qui est possible et de ce qui ne l’est pas.» Son laboratoire a également reçu un financement Proof of Concept du CER afin de développer un système LIDAR compact à haute fréquence utilisant des métasurfaces. Ils ambitionnent maintenant de construire un prototype plus complet en vue de commercialiser cette technologie.

Mots‑clés

FLATLIGHT, lumière, réfraction, laser, métasurface, échelle nanométrique, métamorphose, lentilles, photonique, optoélectronique

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