Des chercheurs néerlandais ont découvert que le matériau ferroélectrique bidimensionnel CuInP₂S₆ (« CIPS ») peut être utilisé pour contrôler le trajet et les propriétés de la lumière bleue et ultraviolette comme aucun autre matériau ne le peut. La lumière ultraviolette étant la pierre angulaire de la fabrication de puces avancées, de la microscopie à haute résolution et des technologies de communication optique de nouvelle génération, améliorer le contrôle sur puce d’une telle lumière est crucial.
Comme les chercheurs le décrivent dans la revue Advanced Optical Materials, le CIPS peut être intégré sur des puces, ouvrant ainsi de nouvelles voies passionnantes pour la photonique intégrée.
Un type spécial de ferroélectrique
Le CIPS est un matériau ferroélectrique à couches atomiques, ce qui signifie qu’il porte un dipôle électrique interne intégré dû au déplacement des ions cuivre qui peuvent également se déplacer à l’intérieur de la structure. Le CIPS se distingue car ce mouvement des ions cuivre dépend fortement de l’épaisseur du cristal bidimensionnel.
L’équipe de Delft et Nimègue a découvert qu’un tel comportement ferroélectrique dépendant de l’épaisseur peut être utilisé pour obtenir un indice de réfraction dépendant de l’épaisseur, qui est une mesure de la façon dont le cristal ralentit et dévie la lumière. Le premier auteur de l’article, Houssam El Mrabet Haje, explique : « En passant d’un matériau massif à une couche de seulement quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur, l’indice de réfraction du CIPS a changé de près de 25 % d’une manière inattendue, ‘anormale’. »
Un changement de donne potentiel
Plus frappant encore, l’équipe a également constaté que le CIPS présente une biréfringence géante dans la gamme bleu-UV : la lumière se propageant hors plan à travers le cristal subit un indice de réfraction très différent de celui de la lumière se propageant dans le plan.
À des longueurs d’onde d’environ 340 nanomètres (proche UV), cette différence atteint environ 1,24 – la plus grande biréfringence intrinsèque jamais rapportée dans cette partie du spectre. Houssam souligne : « Cela signifie que le CIPS peut agir comme un élément de contrôle de polarisation et de phase extrêmement puissant pour la lumière à courte longueur d’onde, sans nécessiter de nanostructuration complexe. Cela confirme le CIPS comme un changement de donne potentiel pour de nombreuses applications photoniques. »
Choisir la bonne épaisseur
Bien qu’une image complète reste à déterminer, l’équipe propose un nouveau mécanisme à l’œuvre à l’intérieur du cristal CIPS. Houssam développe : « La lumière transporte des champs électriques et magnétiques oscillants ; dans le CIPS, ces champs se couplent non seulement aux électrons, mais aussi au champ électrique interne créé par les ions cuivre déplacés. Ce qui rend le CIPS si spécial, c’est que la configuration des ions cuivre, et donc le couplage du matériau avec la lumière, change avec l’épaisseur du cristal. Cela permet d’ajuster la réponse optique simplement en choisissant la bonne épaisseur de CIPS. »
De nouveaux outils pour sculpter la lumière
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Mazhar N. Ali, chercheur principal du projet, affirme : « Le CIPS n’est pas le seul matériau possédant de telles propriétés. Notre découverte d’un mécanisme où la polarisation ferroélectrique et les ions mobiles travaillent ensemble pour façonner les interactions lumière-matière pourrait s’étendre à d’autres matériaux ferroélectriques. »
En tant que tel, ce travail suggère un principe de conception plus large, où les matériaux sont conçus pour contenir des ions mobiles qui modulent les champs internes, afin d’acquérir de nouveaux outils pour sculpter la lumière sur une large gamme de longueurs d’onde.
Composants UV/bleu accordables
Houssam conclut : « Avec des travaux supplémentaires, des structures basées sur le CIPS pourraient sous-tendre des composants UV/bleu accordables pour l’électro-optique intégrée – contrôlés non seulement par des électrons, mais par le mouvement d’ions à l’intérieur d’un cristal épais de seulement quelques milliardièmes de mètre. »
Article : Anomalous Refractive Index Modulation and Giant Birefringence in 2D Ferrielectric CuInP2S6 – Journal : Advanced Optical Materials – Méthode : Experimental study – DOI : 10.1002/adom.202502291
Source : TU Delft
