Un nano-objet unique fusionne deux domaines clés de la recherche en photonique

Les scientifiques en Suède ont accompli une prouesse technique en associant deux domaines majeurs de la photonique. La conception d’un nano-objet aux propriétés optiques singulières élargit le champ des possibles pour l’élaboration de dispositifs optiques non linéaires compacts et performants.

L’équipe de recherche du département de physique de l’Université de technologie de Chalmers a réussi à fusionner la photonique non linéaire et la nanophotonique à haut indice au sein d’un unique nano-objet en forme de disque. Cette réalisation constitue une étape clé dans le domaine de la photonique.

Le docteur Georgii Zograf, auteur principal de l’article paru dans Nature Photonics, a affirmé : «Les résultats obtenus nous ont stupéfiés et enchantés. La structure discoïdale, bien que nettement plus petite que la longueur d’onde de la lumière, convertit la fréquence lumineuse avec une grande efficacité. Elle s’avère 10 000 fois, voire davantage, plus performante que le matériau non structuré du même type, démontrant ainsi que la nanostructuration représente la voie à privilégier pour optimiser l’efficacité.»

Un procédé de fabrication révolutionnaire

Les chercheurs ont employé du disulfure de molybdène, un matériau de la famille des dichalcogénures de métaux de transition (TMD), pour élaborer le nanodisque. Ce matériau, d’une épaisseur atomique, présente des propriétés optiques remarquables à température ambiante. Toutefois, son empilement s’avère complexe sans altérer ses propriétés non linéaires en raison des contraintes de symétrie de son réseau cristallin.

Le docteur Zograf a également expliqué : «Pour la première fois, nous avons conçu un nanodisque de disulfure de molybdène spécifiquement empilé qui maintient la symétrie inverse brisée dans son volume, préservant ainsi la non-linéarité optique. Un tel nanodisque peut conserver les propriétés optiques non linéaires de chaque couche individuelle. Par conséquent, les effets du matériau sont à la fois préservés et amplifiés.»

Des caractéristiques exceptionnelles pour des applications de pointe

Le nanodisque se distingue par un indice de réfraction élevé, permettant une compression plus efficace de la lumière dans ce milieu. De plus, le matériau offre l’avantage d’être transférable sur n’importe quel substrat sans nécessiter de correspondance entre le réseau atomique et le matériau sous-jacent.

La nanostructure démontre également une grande efficacité pour localiser le champ électromagnétique et générer une lumière à fréquence doublée, un phénomène appelé génération de seconde harmonique. Il s’agit d’un effet optique non linéaire, comparable aux effets de génération de fréquences somme et différence utilisés dans les systèmes laser à impulsions de haute énergie.

Le professeur Timur Shegai, qui a dirigé l’étude, a souligné l’importance de cette découverte : «Cette réalisation marque véritablement une étape cruciale, notamment en raison de la taille extrêmement réduite du disque. La génération de seconde harmonique et d’autres non-linéarités sont couramment utilisées dans les lasers, mais les plateformes qui les exploitent ont généralement une échelle centimétrique. En comparaison, notre objet mesure environ 50 nanomètres, soit une structure environ 100 000 fois plus fine.»

Les scientifiques estiment que les travaux sur le nanodisque feront progresser la recherche en photonique. À long terme, les dimensions extrêmement compactes des matériaux TMD, associées à leurs propriétés uniques, pourraient être exploitées dans des applications optiques et photoniques avancées. Par exemple, ces structures pourraient être intégrées dans divers types de circuits optiques ou utilisées pour miniaturiser des dispositifs photoniques.

«Nous sommes convaincus que cette avancée contribuera aux futures expériences de nanophotonique non linéaire, tant quantiques que classiques. La capacité de nanostructurer ce matériau unique nous permettrait de réduire considérablement la taille et d’améliorer l’efficacité des dispositifs optiques, tels que les réseaux de nanodisques et les métasurfaces. Ces innovations pourraient trouver des applications en optique non linéaire et dans la génération de paires de photons intriqués. Bien que ce ne soit qu’un premier pas, il est d’une importance capitale. Nous ne faisons qu’effleurer la surface des possibilités.» a conclu le professeur Shegai.

Légende illustration : Schéma de l’expérience optique : Le laser d’excitation dans le proche infrarouge (rouge en bas) excite le nanodisque fabriqué à partir de flocons de disulfure de molybdène 3R, placé sur un substrat en verre. La coupe en quart du disque montre schématiquement que le laser incident excite les résonances optiques, c’est pourquoi nous voyons des zones rouges qui représentent une plus grande densité de champ électromagnétique. Cette localisation, associée à la symétrie inverse brisée du réseau cristallin, permet de convertir efficacement le laser de pompage rouge en lumière bleue (fréquence doublée). Crédit : Chalmers University of Technology | Georgii Zograf

Article : « Combining ultrahigh index with exceptional nonlinearity in resonant transition metal dichalcogenide nanodisks » a été publié dans Nature Photonics. Il est rédigé par Georgii Zograf, Alexander Yu. Polyakov, Maria Bancerek, Tomas J. Antosiewicz, Betül Küçüköz et Timur Shegai.