21/09/2015 - Ralentir la lumière à la nanoéchelle

Menéame

La vitesse de la lumière lorsqu'elle voyage dans le vide est toujours la même, un peu moins de 300 millions de mètres par seconde. Cependant, lorsque vous changez d'environnement, votre vitesse peut varier. Au CIC nanoGUNE ont étudié la façon dont la lumière se propage dans un type de matériaux très spéciaux appelés matériaux hyperboles - en particulier dans des couches fines de nitrure de silice - et ont découvert que la lumière voyage plus lentement et "contrecourant."

Le travail, réalisé en collaboration avec des chercheurs de l'ICFO (Barcelone) et financé par le projet Graphene Fragship de l'UE, a été publié cette semaine dans le magazineNature Photonics.

Les matériaux hyperboles sont solides très spéciaux qui se comportent comme un métal dans une direction, laissant passer le courant, mais comme un isolant dans la direction perpendiculaire. Jusqu'à présent, ces matériaux ont été utilisés pour fabriquer des nanostructures complexes permettant la projection d'images sur des longueurs d'onde très basses, ainsi que le contrôle de la lumière à l'échelle nanométrique. Cependant, pour réaliser tout le potentiel de ce nouveau type de matériaux, il est nécessaire d'étudier et de comprendre comment la lumière se comporte à l'intérieur.

"La difficulté des expériences réalisées est la très courte longueur d'onde de la lumière lorsqu'elle est dans un matériau hyperbolique," explique le chercheur Ikerbasque Rainer Hillenbrand, leader du groupe de Nanooptica de nanoGUNE. "Quand la lumière est à l'intérieur de ce type de matériau - dans notre cas, le nitrure de silice -, elle voyage comme quelque chose qui est connu comme un polariton, où la lumière s'attache aux vibrations propres au matériau."

Ces polaritons se comportent comme une épée à double tranchant. D'une part, ils compressent la lumière en très petits volumes. Ceci est utile pour une large gamme d'applications qui nécessitent la manipulation de la lumière dans de très petits espaces, comme la détection et l'identification de molécules individuelles. D'autre part, cet énorme confinement nécessite le développement de techniques spéciales pour observer votre comportement.

Espace et temps

Edward Yoxall, qui a mené les expériences sur nanoGUNE avec Martin Schnell, approfondit: " Parce que la longueur d'onde d'un polariton est si petite, nous ne pouvons pas utiliser les équipements optiques "conventionnels ," tels que les lentilles et les caméras, pour obtenir des images. Nous devons utiliser un microscope spécial qui est capable de voir les détails 1000 fois plus petits qu'un microscope infrarouge standard." Ce microscope affiche des "objets" de seulement 10 nanomètres.

"Mais ce n'est pas seulement la résolution spatiale qui rend le suivi des polaritons compliqué" poursuit Yoxall. "Si nous voulons observer le mouvement d'un polariton, nous devons le voir dans l'espace et dans le temps. Cela peut se faire par l'émission de très courts flashs de lumière ou de pouls, d'une durée de seulement 100 femtoseguntos (moins d'un millionième d'un millionième de seconde)" En utilisant ces éclairs en combinaison avec un microscope de champ proche, les chercheurs sont capables d'observer les polaritons en passant par différents endroits le long du nitrure de manganèse, ce qui permet de mesurer leur vitesse.

En utilisant les données spatiales et temporelles recueillies au cours de l'expérience, les scientifiques ont déduit exactement le parcours du polariton et ont observé quelques comportements intrigants. "Nous avons observé que la lumière est plus lente dans ce matériau et qu'elle peut également voyager à " contre-courant ," c'est-à-dire que les ondes du polariton peuvent voyager dans la direction opposée à leur flux d'énergie," souligne Hillenbrand.

"L'un des résultats les plus intéressants est sans aucun doute la vitesse à laquelle se déplace le polariton," dit Yoxall. "Il y a un grand intérêt dans l'étude de la lumière lente, et ce que nous avons montré dans ce travail est une nouvelle façon de l'obtenir." La lumière lente dans les structures photoniques conventionnelles possède un grand potentiel d'application dans les technologies de détection et de communication, en raison de l'amélioration de l'interaction lumière-matière. L'énorme confinement de la lumière auquel on arrive dans ces matériaux hyperboles pourrait aider à miniaturiser les dispositifs.

CIC nanoGUNE

Le Centre de recherche coopérative (CIC) nanoGUNE, situé à Donostia-San Sebastian, est un centre de recherche créé avec la mission de réaliser des recherches d'excellence en nanoscience et nanotechnologie, dans le but d'accroître la compétitivité des entreprises et la croissance économique du Pays basque.

www.nanogune.eu

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