Des chercheurs ont réussi pour la première fois à démontrer que certaines membranes d’oxydes peuvent confiner, ou « serrer, » la lumière infrarouge, ce qui ouvre des perspectives pour les technologies d’imagerie infrarouge de prochaine génération.
Les membranes minces en film confinent la lumière infrarouge bien mieux que les cristaux massifs, qui sont la technologie établie pour la confinement de la lumière infrarouge.
« Les membranes minces en film maintiennent la fréquence infrarouge souhaitée, mais compriment les longueurs d’onde, permettant aux appareils d’imagerie de capturer des images avec une résolution supérieure, » explique Yin Liu, co-auteur correspondant d’un article sur le travail et professeur adjoint de science et de génie des matériaux à l’Université d’État de Caroline du Nord.
« Nous avons démontré que nous pouvons confiner la lumière infrarouge à 10% de sa longueur d’onde tout en maintenant sa fréquence – ce qui signifie que le temps que prend une longueur d’onde pour faire un cycle est le même, mais la distance entre les pics de l’onde est beaucoup plus rapprochée. Les techniques de cristal massif confinent la lumière infrarouge à environ 97% de sa longueur d’onde. »
La préparation des membranes et la spectroscopie
« Ce comportement était précédemment uniquement théorisé, mais nous avons pu le démontrer expérimentalement pour la première fois grâce à la façon dont nous avons préparé les membranes minces en film et à notre utilisation novatrice de la spectroscopie synchrotron à champ proche, » ajoute Ruijuan Xu, co-auteur principal de l’article et professeur adjoint de science et de génie des matériaux à l’Université d’État de Caroline du Nord.
Pour ce travail, les chercheurs ont travaillé avec des matériaux de pérovskite de métaux de transition. Plus spécifiquement, ils ont utilisé le dépôt de laser pulsé pour croître une membrane cristalline de strontium titanate (SrTiO3) de 100 nanomètres d’épaisseur dans une chambre à vide. La structure cristalline de ce film mince est de haute qualité, ce qui signifie qu’elle a très peu de défauts. Ces films minces ont ensuite été retirés du substrat sur lequel ils avaient été cultivés et placés sur la surface d’oxyde de silice d’un substrat de silice.
Les chercheurs ont ensuite utilisé la technologie de l’Advanced Light Source du Laboratoire national Lawrence Berkeley pour effectuer une spectroscopie synchrotron à champ proche sur le film mince de strontium titanate alors qu’il était exposé à la lumière infrarouge. Cela leur a permis de capturer l’interaction du matériau avec la lumière infrarouge à l’échelle nanométrique.
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Phonons, photons et polaritons
Pour comprendre ce que les chercheurs ont appris, nous devons parler de phonons, de photons et de polaritons. Les phonons et les photons sont deux façons dont l’énergie voyage à travers et entre les matériaux. Les phonons sont essentiellement les ondes d’énergie causées par la vibration des atomes. Les photons sont essentiellement les ondes d’énergie électromagnétique. Vous pouvez penser des phonons comme des unités d’énergie sonore, tandis que les photons sont des unités d’énergie lumineuse. Les polaritons de phonon sont des quasi-particules qui se produisent lorsque un photon infrarouge est couplé avec un phonon «optique» – c’est-à-dire un phonon qui peut émettre ou absorber de la lumière.
« Les articles théoriques proposaient l’idée que les membranes d’oxydes de pérovskite de métaux de transition permettraient aux polaritons de phonon de confiner la lumière infrarouge, » explique Ruijuan Liu. « Et notre travail démontre maintenant que les polaritons de phonon confinent effectivement les photons et les empêchent également de s’étendre au-delà de la surface du matériau. »
« Ce travail établit une nouvelle classe de matériaux optiques pour contrôler la lumière dans les longueurs d’onde infrarouges, ce qui a des applications potentielles dans la photonique, les capteurs et la gestion thermique, » ajoute encore le chercheur. « Cela pourrait permettre de concevoir des puces informatiques qui pourraient utiliser ces matériaux pour dissiper la chaleur en la convertissant en lumière infrarouge. »
« Le travail est également excitant car la technique que nous avons démontrée pour créer ces matériaux signifie que les films minces peuvent être facilement intégrés avec une grande variété de substrats, » conclut pour sa part Ruijuan Xu. « Cela devrait faciliter l’intégration des matériaux dans de nombreux types d’appareils. »
Article : « Highly Confined Epsilon-Near-Zero- and Surface-Phonon Polaritons in SrTiO3 Membranes » – DOI: 10.1038/s41467-024-47917-x
