Métasurfaces : le tour de force qui bouleverse notre rapport à la lumière

Les chercheurs ont réalisé une avancée certaine dans le domaine de l’optique, ouvrant la voie à de nouvelles applications technologiques. Une équipe de scientifiques a démontré la capacité de contrôler précisément les propriétés optiques de la radiation thermique grâce à l’utilisation de métasurfaces.

Des chercheurs du Centre de Recherche Scientifique Avancée de l’Université de la Ville de New York (CUNY ASRC) ont réalisé une expérience novatrice. Leur étude, publiée dans la revue Nature Nanotechnology, démontre que les métasurfaces, des matériaux bidimensionnels structurés à l’échelle nanométrique, peuvent contrôler avec précision les propriétés optiques de la radiation thermique générée en leur sein.

La radiation thermique, produite par les fluctuations aléatoires de la matière sous l’effet de la chaleur, se caractérise habituellement par sa nature à large bande, non polarisée et multidirectionnelle. Contrairement à la lumière laser, dont les propriétés sont bien définies, la radiation thermique présente des limitations pour certaines applications nécessitant des caractéristiques lumineuses spécifiques.

Les métasurfaces offrent une solution innovante pour surmonter ces contraintes. Grâce à des structures nanométriques méticuleusement conçues, elles permettent de moduler les ondes électromagnétiques de manière personnalisée. Jusqu’à présent, l’utilisation des métasurfaces se limitait au contrôle des sources laser, nécessitant des dispositifs d’excitation encombrants et coûteux.

Une approche novatrice pour façonner la lumière

Adam Overvig, l’un des principaux auteurs de l’étude, a déclaré : «Notre objectif ultime est de développer une technologie de métasurfaces qui ne nécessite pas de sources laser externes, mais qui puisse contrôler précisément la manière dont sa propre radiation thermique est émise et se propage». Il a ajouté : « Notre travail constitue une étape importante dans cette quête, jetant les bases d’une nouvelle classe de métasurfaces alimentées par les oscillations incohérentes internes de la matière, induites par la chaleur ».

L’équipe de recherche a simplifié l’architecture du dispositif initialement envisagé, en le réduisant à une seule couche structurée avec un motif bidimensionnel. Cette conception épurée facilite la fabrication et la mise en œuvre pratique de la technologie.

Andrea Alù, professeur distingué et professeur Einstein de physique à l’Université de la Ville de New York, a souligné l’importance de cette avancée : «Les sources lumineuses personnalisées sont essentielles dans de nombreux domaines scientifiques et technologiques. La possibilité de créer des sources compactes et légères avec des caractéristiques spectrales, de polarisation et spatiales souhaitées est particulièrement intéressante pour les applications nécessitant de la portabilité, telles que la technologie spatiale, la recherche sur le terrain en géologie et en biologie, ainsi que les opérations militaires».

Les chercheurs envisagent d’étendre les principes appliqués dans leurs travaux actuels aux diodes électroluminescentes (LED). Cette approche pourrait améliorer considérablement le contrôle de cette source de lumière courante et économique, mais traditionnellement difficile à maîtriser.

L’équipe de recherche prévoit de combiner ces éléments de base pour obtenir des motifs d’émission thermique plus complexes, tels que la focalisation de l’émission thermique sur un point spécifique au-dessus du dispositif ou la création d’un hologramme thermique. Ces développements pourraient transformer radicalement la conception et la fonctionnalité des sources lumineuses personnalisées.

Légende illustration : Une métasurface thermique est constituée d’une seule couche de silicium nanostructuré (gris) sur du verre (bleu) et un miroir métallique (or). La surface nanostructurée est spécialement conçue pour émettre thermiquement de la lumière polarisée circulairement dans la direction souhaitée. Crédit : Adam Overvig

Article : ‘Local control of polarization and geometric phase in thermal metasurfaces’ / ( 10.1038/s41565-024-01763-6 ) – Advanced Science Research Center, GC/CUNY – Publication dans la revue Nature Nanotechnology / 23-Août -2024