Une torsion dynamique de la « main » de la lumière

Anne J. Manning

Points clés

• Les ingénieurs d’Harvard ont construit un cristal photonique bicouche torsadé à l’échelle d’une puce, dont l’angle de torsion et l’espacement peuvent être ajustés dynamiquement avec un actionneur MEMS pour régler la chiralité de la lumière.
• Le dispositif géométriquement chiral peut distinguer la lumière polarisée circulairement gauche et droite qui frappe perpendiculairement à sa surface et offre un cadre de conception pour des dispositifs photoniques chiraux ajustables et intégrables. 

Des chercheurs de l’ École de génie et des sciences appliquées John A. Paulson de Harvard (SEAS) ont créé un dispositif à l’échelle d’une puce qui peut contrôler dynamiquement la « main » de la lumière lorsqu’elle passe à travers – également appelée chiralité optique – avec une simple torsion de deux cristaux photoniques spécialement conçus. 

Les travaux, dirigés par l’étudiant diplômé Fan Du dans le laboratoire d’ Eric Mazur, professeur de physique et de physique appliquée Balkanski, décrivent un cristal photonique bicouche torsadé reconfigurable qui peut être ajusté en temps réel à l’aide d’un système micro-électromécanique (MEMS) intégré. Cette percée ouvre de nouvelles possibilités pour la détection chirale avancée, la communication optique et la photonique quantique. 

« La chiralité est très importante dans de nombreux domaines scientifiques – de la pharma à la chimie, la biologie, et bien sûr, la physique et la photonique », explique Mazur. « En intégrant des cristaux photoniques torsadés avec des MEMS, nous avons une plateforme qui est non seulement puissante d’un point de vue physique, mais aussi compatible avec la façon dont la photonique moderne est fabriquée. »

Les cristaux photoniques sont des matériaux nanofabriqués qui tiennent sur la tête d’une épingle et sont utilisés pour manipuler la lumière à des longueurs d’onde nanométriques, importants dans de nombreux éléments optiques aujourd’hui pour l’informatique, la détection et les communications à haute vitesse. Le laboratoire de Mazur a poussé l’ingénierie des cristaux photoniques vers de nouveaux territoires en empruntant les principes de la twistronique, rendue célèbre par la découverte du graphène bicouche torsadé. Ces dernières années, l’équipe de Mazur a été pionnière dans les cristaux photoniques bicouche torsadés en empilant deux membranes de nitrure de silicium structurées et en les faisant pivoter pour obtenir de nouvelles propriétés. 

Cristaux photoniques torsadés

Dans leur nouveau travail publié dans Optica, ils montrent qu’un cristal photonique bicouche torsadé est une plateforme puissante pour contrôler la chiralité de la lumière, car la torsion introduit naturellement une asymétrie gauche-droite intégrée au dispositif. La chiralité décrit des objets qui ne peuvent pas être superposés à leurs images miroir, comme les mains gauche et droite. En optique, la chiralité se manifeste à la fois dans les matériaux et structures chiraux, ainsi que dans la lumière chirale, dans laquelle la lumière trace une hélice dans une direction particulière lors de sa propagation. La lumière chirale peut tourner dans le sens des aiguilles d’une montre – présentant une polarisation circulaire droite – ou dans le sens inverse – présentant une polarisation circulaire gauche. 

Ces différences dans la façon dont la lumière se déplace sont infimes, mais importantes. Par exemple, les chimistes organiques doivent pouvoir distinguer les molécules pharmaceutiques images miroir qui sont chimiquement identiques mais ont des effets différents dans le corps.  Parmi les exemples les plus connus, la thalidomide, un médicament des années 1950 dont la structure moléculaire droite était un traitement contre les nausées matinales chez les femmes enceintes, mais dont l’image miroir gauche a causé des malformations congénitales. 

La lumière chirale est utilisée pour sonder les structures chiraues, généralement en utilisant des optiques de polarisation conventionnelles telles que les lames quart d’onde et les polariseurs linéaires. Ces éléments sont statiques et ne peuvent détecter qu’une petite plage de polarisation. 

Propriétés ajustables

En revanche, le nouveau dispositif des chercheurs de Harvard est élégamment conçu pour être ajustable – c’est-à-dire que la réponse du dispositif à différents types de lumière chirale peut être augmentée ou diminuée sans changer de pièces. Le secret réside dans la conception bicouche : lorsque les deux cristaux photoniques sont rapprochés et torsadés, la structure combinée devient géométriquement chirale et capable de « lire » la lumière chirale. Un couplage fort entre les modes optiques des couches conduit à des transmissions radicalement différentes pour la lumière polarisée circulairement gauche ou droite sous « incidence normale », ou lumière polarisée qui frappe perpendiculairement à la surface. 

En utilisant le dispositif MEMS pour faire varier continuellement l’angle de torsion et l’espacement intercouche, l’équipe a montré qu’elle pouvait régler la capacité intrinsèque du dispositif à lire différents modes de lumière chirale qui approchent des extrêmes théoriques de sélectivité parfaite pour distinguer la « main » de la lumière. 

L’article fournit un cadre de conception général pour les cristaux bicouches torsadés qui présentent une chiralité optique. Bien qu’il s’agisse actuellement d’une preuve de concept, la recherche pourrait ouvrir la voie à des applications futures dans la détection chirale, où les dispositifs sont ajustés pour sonder différentes molécules chirales à différentes longueurs d’onde, ou des modulateurs de lumière dynamiques pour les communications optiques, permettant un contrôle de la lumière sur puce. 

Article : Dynamic control of intrinsic optical chirality via MEMS-integrated photonic crystals – Journal : Optica – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Harvard U.