Les chercheurs ont réussi à créer un système d’antenne optique exceptionnellement puissant en utilisant des centres de vide de germanium dans des diamants, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude des propriétés fondamentales de la matière.
Les antennes optiques sont des structures qui interagissent avec les champs électromagnétiques et absorbent ou émettent de la lumière à certaines fréquences de résonance. Lorsqu’un électron est excité à résonance, il crée un dipôle électronique oscillant qui concentre une quantité d’énergie considérable, ce qui en fait une excellente antenne optique. Cependant, les interactions avec l’environnement dans les solides réduisent généralement la cohérence du signal.
« La plupart du temps, lorsque vous avez des atomes dans des solides, ils interagissent avec l’environnement. Il y a beaucoup de désordre, ils sont secoués par des phonons et font face à d’autres perturbations qui réduisent la cohérence du signal », explique Alex High, professeur adjoint à l’École d’ingénierie moléculaire Pritzker de l’Université de Chicago.
La solution des centres de vide de germanium
Les centres de vide de germanium dans les diamants offrent une solution à ce problème. Ces défauts quantiques dans les matériaux ont des propriétés intéressantes qui les rendent immunisés contre les effets environnementaux.
« Quelque chose qui a été observé pendant les sept ou huit dernières années est que certains types de centres de vide peuvent être immunisés contre ces effets environnementaux », souligne Alex High.
Grâce à cette découverte, l’équipe de recherche a réussi à créer une intensification de l’énergie de six ordres de grandeur, un régime difficile à atteindre avec des structures d’antenne conventionnelles. Cette intensification crée un signal optique localisé puissant qui peut être utilisé pour étudier les propriétés fondamentales de la matière.
« C’est pas juste une percée technologique. C’est également une percée dans la physique fondamentale », précise Zixi Li, doctorant à l’École d’ingénierie moléculaire Pritzker et co-premier auteur de l’article.
Des applications potentielles
Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude de la matière à l’échelle atomique. Les antennes optiques peuvent être intégrées dans un large éventail de systèmes pour étudier les propriétés quantiques et classiques de la matière.
« Ce qui est excitant, c’est que ceci est une caractéristique générale », ajoute Alex High. « Nous pouvons intégrer ces centres de vide dans un énorme éventail de systèmes, et puis nous pouvons utiliser ces comme des antennes locales pour développer de nouveaux processus qui à la fois construisent de nouveaux appareils et nous aident à comprendre comment l’univers fonctionne. »
Des avantages par rapport aux techniques existantes
La nouvelle technique offre plusieurs avantages par rapport aux techniques existantes. Elle nécessite moins d’énergie pour activer le signal, ce qui réduit les effets de fluorescence et de chauffage. De plus, les centres de vide de germanium ne dissipent pas d’énergie lorsqu’ils sont utilisés, contrairement aux antennes plasmoniques conventionnelles.
« Le magic d’un centre de vide est qu’il est simultanément ponctuel et évite les pertes d’un matériau plasmonique, ce qui lui permet de conserver son renforcement de champ extrême », explique de son côté Darrick Chang de l’Institut des sciences photoniques de Barcelone, en Espagne.
La création de cette antenne optique exceptionnellement puissante ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude de la matière à l’échelle atomique. Les applications potentielles de cette découverte sont vastes et pourraient révolutionner notre compréhension de la matière et de l’univers.
« C’est pas juste une percée technologique. C’est également une percée dans la physique fondamentale », répète pour finir Zixi Li.
Légende illustration : Zixi Li, doctorant à la Pritzker School of Molecular Engineering de l’UChicago, est le co-premier auteur d’un nouvel article du laboratoire du professeur adjoint Alex High, qui démontre une nouvelle façon d’effectuer des mesures plus puissantes au niveau atomique. Crédit : Hong Qiao / UChicago Pritzker School of Molecular Engineering
Article : « Atomic optical antennas in solids » – DOI: 10.1038/s41566-024-01456-5
