De nouvelles recherches menées à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ouvrent la voie à des composants plus petits et plus efficaces pour les télécommunications, la communication quantique et d’autres technologies photoniques.
Ces travaux, issus du laboratoire du professeur Federico Capasso, titulaire de la chaire Robert L. Wallace de physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique, combinent des matériaux semi-conducteurs de synthèse en couches avec des dispositifs nanostructurés spéciaux appelés métasurfaces, créant ainsi un dispositif semi-conducteur unique qui présente une capacité extraordinairement puissante à mélanger et à transformer différentes couleurs de lumière, y compris aux longueurs d’onde du proche infrarouge, situées dans la plage technologiquement précieuse des réseaux en fibre optique.
Cette recherche, fruit d’une collaboration entre Harvard SEAS, l’Université du Texas à Austin et l’Université de Californie à Irvine, a été publiée dans Nature Nanotechnology.
Que ce soit dans un pointeur laser de salle de classe, un capteur biomédical ou un ordinateur quantique, nombre de dispositifs optiques actuels reposent sur un processus fondamental connu sous le nom de conversion de fréquence non linéaire. Ce processus génère de nouvelles fréquences, ou couleurs, de lumière lorsque des faisceaux laser de haute intensité traversent un matériau spécial. Généralement, ces matériaux sont des cristaux tels que le niobate de lithium ou l’arséniure de gallium, dont les structures atomiques spécifiques permettent naturellement ces processus de changement de couleur.
Les dispositifs optiques actuels sont donc limités par les propriétés inhérentes des cristaux conventionnels, ce qui rend difficile la construction de dispositifs photoniques compacts et évolutifs, et freine de nombreuses avancées – des horloges atomiques à l’échelle de la puce pour le suivi GPS aux communications par fibre optique ultra-rapides.
Ces nouveaux travaux comblent un fossé entre la conception des matériaux et celle des dispositifs. Plutôt que de simplement accepter les propriétés non linéaires d’un cristal conventionnel, l’équipe de recherche a conçu ensemble un semi-conducteur en couches et une métasurface, de sorte que chaque partie du dispositif – états électroniques, champs optiques et géométrie – fonctionne de concert en vue d’une conversion de fréquence efficace à une longueur d’onde donnée.
« Ce travail combine de manière créative l’ingénierie quantique d’un matériau sous-jacent et le renforcement de sa non-linéarité, avec une conception optimisée de métasurface », explique Capasso. « La réponse non linéaire globale est considérablement amplifiée et rendue utilisable pour l’optique en espace libre. »
Puits quantiques multiples et métasurfaces
L’équipe est partie de matériaux cristallins d’arséniure de gallium et d’arséniure de gallium-aluminium, cultivés sous forme d’un empilement de couches semi-conductrices ultra-fines appelé puits quantiques multiples. En choisissant soigneusement l’épaisseur et l’agencement de ces couches, ils ont conçu des niveaux d’énergie électroniques produisant une forte interaction entre la lumière et la matière. Fait important, ils y sont parvenus en utilisant un type de transition électronique différent de celui employé traditionnellement, afin d’obtenir de puissants effets non linéaires dans les puits quantiques et de permettre à ces effets de fonctionner à des longueurs d’onde bien plus courtes.
Pour exploiter pleinement le potentiel du matériau, les chercheurs ont ensuite structuré sa surface avec un réseau de minuscules nanopiliers façonnant la lumière – formant des métasurfaces qui piègent et modulent la lumière à des échelles inférieures à la longueur d’onde. Le groupe de Capasso est un leader de la technologie des métasurfaces.
Les nanopiliers précisément ajustés de la métasurface orientent le champ électromagnétique dans les bonnes directions au sein du semi-conducteur en couches tout en concentrant le champ à l’intérieur du matériau, augmentant ainsi l’intensité de la lumière dans la structure. Les chercheurs ont également contrôlé la symétrie des champs, permettant des interactions qui se seraient autrement annulées.
Ensemble, ces effets amplifient la conversion non linéaire effective de la lumière de trois ordres de grandeur par rapport à ce qui serait observé sur la plaquette non structurée, et dépassent les valeurs précédemment rapportées pour des dispositifs comparables aux longueurs d’onde du proche infrarouge – démontrant l’utilité potentielle du dispositif dans les réseaux en fibre optique.
Les collaborateurs dirigés par le professeur Seth Bank à l’Université du Texas à Austin ont conçu le matériau à puits quantiques multiples, tandis que le groupe de Capasso a conçu la manière dont le champ électromagnétique se comporte dans ce matériau, « afin qu’il puisse tirer le meilleur parti des propriétés du matériau », explique Pernille Undrum Fathi, doctorante dans le laboratoire de Capasso et première auteure de l’article.
Compatibilité avec les procédés de fabrication semi-conductrice existants
La nouvelle plateforme repose entièrement sur des matériaux semi-conducteurs composés standards et sur la nanofabrication planaire, ce qui la rend compatible avec les procédés de fabrication semi-conductrice existants. La réponse non linéaire étant si puissante, des dispositifs similaires pourraient être rendus extrêmement compacts tout en convertissant efficacement la lumière.
Les applications potentielles incluent des convertisseurs de fréquence à l’échelle de la puce pour générer des couleurs de lumière difficiles à produire directement avec des lasers, ainsi que des sources de paires de photons intriqués pour la communication et le calcul quantiques photoniques.
« Je suis très enthousiaste à l’idée que cette première démonstration ouvre la porte à tant de réalisations à l’intersection de la nanophotonique et de la science des matériaux », se réjouit Fathi.
Article : Quantum-well metasurface for free-space-accessible enhanced nonlinear polarization – Journal : Nature Nanotechnology – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
