Des métamatériaux en forme de L peuvent contrôler la direction de la lumière

Les ondes lumineuses polarisées, en tournant dans le sens horaire ou antihoraire, interagissent différemment avec les molécules selon leur direction. Cette propriété, appelée chiralité, pourrait permettre d’identifier et de trier des molécules spécifiques pour des applications biomédicales. Cependant, les chercheurs avaient jusqu’à présent un contrôle limité sur la direction des ondes. Une équipe de chercheurs en ingénierie électrique de Penn State et de l’Université du Nebraska-Lincoln (UNL) a récemment surmonté cette limitation.

Contrôle de la chiralité des ondes lumineuses

Grâce à l’utilisation de métamatériaux, les chercheurs ont créé un élément optique ultrafin capable de contrôler la direction des ondes lumineuses polarisées. Cette avancée permet non seulement de diriger la chiralité de la lumière, mais aussi d’identifier la chiralité des molécules en observant comment la lumière polarisée interagit avec elles.

La chiralité des molécules peut révéler des informations cruciales sur leur interaction avec d’autres systèmes, comme l’efficacité des médicaments à soigner des tissus malades sans nuire aux cellules saines. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans Nature Communications.

Fabrication de l’élément optique

Christos Argyropoulos, professeur associé en ingénierie électrique à Penn State et co-auteur de l’étude, explique que la chiralité se réfère à des images miroir, comme les mains gauche et droite se rejoignant dans une poignée de main. En physique, la chiralité influence la direction de rotation des ondes lumineuses.

Le chercheur et ses collègues ont fabriqué un élément optique, semblable à une lame de verre, utilisant une forêt de nanorods en forme d’antenne qui, ensemble, créent un métamatériau capable de contrôler la rotation de la lumière. Les nanorods apparaissent en forme de «L» à l’échelle nanométrique.

Applications en biomédecine

Identifier la chiralité des molécules peut avoir des impacts considérables en biomédecine, notamment dans le domaine pharmaceutique. Certains médicaments possèdent une chiralité droite ou gauche, influençant leur efficacité et leur toxicité. Christos Argyropoulos cite l’exemple classique de la thalidomide, un médicament prescrit pour les nausées matinales entre 1957 et 1962. La molécule de droite apaisait les nausées, mais la molécule de gauche était toxique pour les fœtus, causant des malformations chez des milliers de bébés.

L’élément optique permet d’imager rapidement la structure moléculaire des médicaments, aidant les scientifiques à mieux comprendre les comportements des médicaments.

Implications pour les communications optiques

En plus des applications biomédicales, l’élément optique peut créer des ondes électromagnétiques droitières ou gauchères, nécessaires pour le développement et la maintenance des systèmes de communication classiques et quantiques, comme le Wi-Fi crypté et les services de téléphonie mobile.

Christos Argyropoulos souligne que, précédemment, les systèmes de communication optique nécessitaient des dispositifs volumineux ne fonctionnant qu’à une seule fréquence. Le nouvel élément optique est léger et facilement ajustable à plusieurs fréquences.

Légende illustration : Des chercheurs ont fabriqué un élément optique qui utilise une forêt de minuscules nanorubans ressemblant à des antennes, que l’on voit ici, et qui, ensemble, créent un métamatériau capable de contrôler le spin de la lumière. Les nanorods du métamatériau semblent avoir la forme de la lettre « L » lorsqu’ils sont observés à l’échelle nanométrique. Crédit : fourni par Christos Argyopoulos. Tous droits réservés.

Article : « Controlling the broadband enhanced light chirality with L-shaped dielectric metamaterials » – DOI: https://link.springer.com/article/10.1038/s41467-024-48051-4