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Des métamatériaux en graphène pour contrôler la vitesse de la lumière

Des chercheurs de l'UE ont étudié des métamatériaux de base qui présentent une chiralité extrême, et développé un polarisateur en graphène actif contrôlable de manière électrique. Ils ont expérimenté une nouvelle classe de métamatériaux bicouche qui peut augmenter de manière significative l'activité optique par un fort couplage intermoléculaire entre métamolécules chirales planaires adjacentes.

Recherche fondamentale

Les métamatériaux sont composés d'assemblages d'éléments multiples façonnés à partir de matériaux composites qui présentent des propriétés optiques inhabituelles que l'on ne retrouve pas dans la nature. Le projet GRAB-A-META (Graphene based active metamaterials), financé par l'UE, a utilisé une technologie de métamatériaux en graphène pour développer un contrôle actif des propriétés optiques, dont la polarisation et la vitesse de la lumière. Les propriétés électromagnétiques de ces matériaux construits artificiellement peuvent être adaptées en concevant des structures métalliques d'échelle inférieure aux longueurs d'ondes, appelées méta-atomes, pour produire des phénomènes physiques inattendus. Il s'agit notamment d'un indice de réfraction négatif, d'une chiralité gigantesque et d'une transparence induite de manière électromagnétique (EIT) analogue. Le système de métamatériaux présentait une plate-forme souple très fine et autonome, capable d’un contrôle électrique complet. Cela a permis non seulement de contrôler de nouvelles propriétés optiques, mais a également permis de surmonter la plupart des limitations des métamatériaux actuels à base de semiconducteurs. Les chercheurs ont étudié des métamatériaux chiraux combinés avec du graphène en simple couche à grille. Les résultats ont montré que la transmission d'une onde térahertz (THz) avec une polarisation circulaire peut être contrôlée de manière électrique sans affecter celle de l'autre polarisation circulaire. Cela a abouti à des profondeurs de modulation remarquablement larges avec une tension de grille faible. Les chercheurs ont également montré que des opérations de mémoire par polarisation avec un temps de rétention de 10 ans étaient possibles. Cela a été réalisé par hybridation du graphène, un matériau ferroélectrique, et les métamatériaux chiraux. En permettant un contrôle électrique de la polarisation, les métamatériaux chiraux pourraient déboucher sur un ensemble d'applications dans le domaine des technologies THz. Cela inclut des modulateurs de polarisation active ultracompacts pour les télécommunications et les dispositifs d'imagerie et les capteurs ultrasensibles destinés à identifier la chiralité et les structures des macromolécules. Des dispositifs de lumière lente en métamatériaux EIR graphène actifs ont également été développés et permettent de contrôler la vitesse de la lumière par tensions de grille. L'analyse théorique a indiqué que cette commutation par EIT active est due à la suppression de la perte par dissipation du résonateur radiatif par réglage électrique de la conductivité de la couche de graphène intégrée. Le travail du projet GRAB-A-META sur le réglage électriquement actif des métamatériaux EIT pourrait ouvrir la voie à la conception de dispositifs actifs de lumière lente, de capteurs ultrasensibles et de dispositifs non linéaires.

Mots‑clés

Graphène, métamatériaux, chiralité, GRAB-A-META, transparence induite de manière électromagnétique

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