Des scientifiques découvrent un nouveau comportement lumineux dans un minéral commun, le gypse

Une nouvelle étude publiée dans Science Advances par des chercheurs de l’Institut national du graphène de l’université de Manchester et de l’université d’Oviedo a révélé un comportement inédit de la lumière dans le gypse, un minéral mieux connu pour son utilisation dans le plâtre de construction et la craie.

L’équipe a découvert un type rare d’onde, appelé polariton phononique de cisaillement, dans une forme bidimensionnelle du matériau. Les polaritons phononiques sont des ondes hybrides lumière-matière qui apparaissent lorsque la lumière interagit avec les vibrations atomiques de certains cristaux. Elles peuvent se propager à travers les matériaux de manière inhabituelle et concentrer la lumière dans des volumes extrêmement petits.

Dans cette étude, les chercheurs ont découvert que dans les films minces de gypse, ces ondes subissent une transition topologique, passant d’un comportement hyperbolique à un comportement elliptique, en passant par un état canalisé unique.

Cette transition permet aux scientifiques d’ajuster la façon dont la lumière se propage à travers le matériau.

« Les études sur les polaritons phononiques de cisaillement menées précédemment se limitaient aux cristaux massifs dans le régime hyperbolique. Dans notre étude, nous avons cherché à compléter ces premiers résultats avec des polaritons de cisaillement dans un matériau bidimensionnel », a déclaré le Dr Pablo Díaz Núñez, qui a codirigé l’étude. « Et, fait remarquable, nous avons découvert que les polaritons de phonons de cisaillement dans le gypse favorisent une transition topologique de la propagation hyperbolique à la propagation elliptique, avec une canalisation entre les deux. »

Le Dr Díaz Núñez a ajouté : « De plus, nous avons réussi à confiner la lumière dans un espace vingt-cinq fois plus petit que sa longueur d’onde et à la ralentir jusqu’à une fraction de sa vitesse dans le vide, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour manipuler la lumière à l’échelle nanométrique. »

La recherche met également en évidence le rôle de la symétrie cristalline. Le gypse appartient à une classe de matériaux à faible symétrie, plus précisément au système cristallin monoclinique, qui donne lieu à une propagation asymétrique de la lumière et à une perte d’énergie, caractéristique centrale des polaritons de cisaillement.

Ces résultats vont au-delà de la recherche fondamentale sur la propagation des polaritons phononiques et pourraient soutenir les développements futurs dans des domaines qui reposent sur un contrôle précis de la lumière, tels que la gestion thermique, la détection et l’imagerie au-delà des limites de l’optique conventionnelle. De plus, l’étude présente le gypse comme une nouvelle plateforme pour explorer des concepts photoniques avancés dans des domaines émergents tels que la photonique non hermitienne.

Cette recherche a été publiée dans la revue Science Advances.

Article : « Visualisation des polaritons de cisaillement topologiques dans des films minces de gypse. » – DOI : 10.1126/sciadv.adw3452

Le National Graphene Institute (NGI) est un centre de recherche de pointe sur le graphène et les matériaux 2D, axé sur la recherche fondamentale. Basé à l’université de Manchester, où le graphène a été isolé pour la première fois en 2004 par les professeurs Sir Andre Geim et Sir Kostya Novoselov, il accueille des leaders dans leur domaine, une communauté de spécialistes de la recherche qui réalisent des découvertes révolutionnaires. Cette expertise s’accompagne d’installations de pointe d’une valeur de 13 millions de livres sterling, telles que les plus grandes salles blanches de classe 5 et 6 du monde universitaire, qui permettent au NGI de faire progresser les applications industrielles sous-jacentes dans des domaines clés tels que : les composites, les membranes fonctionnelles, l’énergie, les membranes pour l’hydrogène vert, les matériaux 2D sous vide ultra-élevé, la nanomédecine, l’électronique imprimée 2D et la caractérisation.