Par Kat J. McAlpine, École d’ingénierie et de sciences appliquées John A. Paulson de Harvard
5 juillet 2023
Des chercheurs de Harvard ont mis au point des techniques permettant de contrôler les « points d’obscurité » dans la lumière à l’aide de métasurfaces, ce qui ouvre de nouvelles possibilités dans des domaines tels que la télédétection, les mesures de précision et la détection secrète. L’équipe a créé des points sombres précis qui peuvent capturer des atomes ou servir de points de mesure pour l’imagerie, et a mis au point des « singularités de polarisation » résistantes, des points sombres stables dans les champs optiques polarisés. Voici une image au microscope électronique à balayage de la métasurface qui a généré les singularités ponctuelles. Crédit : Université de Harvard
Deux études font état de nouvelles méthodes d’utilisation des métasurfaces pour créer et contrôler des zones sombres appelées « singularités optiques ».
Les dispositifs et matériaux optiques permettent aux scientifiques et aux ingénieurs d’exploiter la lumière à des fins de recherche et d’applications concrètes, telles que la détection et la microscopie. Le groupe de Federico Capasso de la Harvard John A. Paulson School of Engineering Applied Sciences (SEAS) a consacré des années à l’invention de méthodes et d’outils optiques plus puissants et plus sophistiqués. Aujourd’hui, son équipe a mis au point de nouvelles techniques pour contrôler les points d’obscurité, plutôt que la lumière, à l’aide de métasurfaces.
« Les régions sombres des champs électromagnétiques, ou singularités optiques, ont toujours constitué un défi en raison de leurs structures complexes et de la difficulté à les façonner et à les sculpter. Ces singularités offrent toutefois la possibilité d’applications révolutionnaires dans des domaines tels que la télédétection et les mesures de précision », a déclaré M. Capasso, professeur de physique appliquée Robert L. Wallace et chercheur principal en génie électrique Vinton Hayes à la SEAS, et auteur principal correspondant de deux nouveaux articles décrivant les travaux.
Profils d’intensité expérimentaux, avec les singularités ponctuelles étiquetées. Crédit : Université de Harvard
En 2011, le laboratoire de Capasso a présenté les métasurfaces, ou réseaux de nanostructures espacés de moins d’une longueur d’onde. En 2016, ils ont utilisé les métasurfaces pour construire des lentilles métalliques très performantes – des lentilles optiques plates composées de nanopilliers qu’ils ont fabriquées à l’aide de techniques de lithographie des semi-conducteurs – qui ont débloqué une nouvelle stratégie pour focaliser la lumière à l’aide de dispositifs extrêmement légers.
Les dernières études du groupe Capasso, publiées dans Nature Communications et Science Advances, montrent comment la technologie des métasurfaces peut exploiter non seulement la lumière, mais aussi l’obscurité.
« Ces deux études introduisent de nouvelles classes de singularités optiques – des régions d’obscurité conçue – en utilisant des algorithmes puissants mais intuitifs pour informer la fabrication de métasurfaces », a déclaré Soon Wei Daniel Lim, premier auteur de l’article publié dans Nature Communications avec Joon-Suh Park.
Dans cette étude, Lim et ses collaborateurs ont conçu et fabriqué un dispositif optique contenant des métasurfaces de nanopilliers de dioxyde de titane qui peuvent contrôler la lumière pour créer un ensemble de singularités optiques.
Pour contrôler exactement où ces points d’obscurité apparaissent, Lim a utilisé un algorithme informatique pour l’aider à inverser la conception de la métasurface.
J’ai dit à l’ordinateur : « Voici ce que je veux obtenir en termes de taches sombres : Voici ce que je veux obtenir en termes de points sombres, dites-moi quelle forme et quel diamètre doivent avoir les nanopilliers sur cette métasurface pour que cela se produise », a-t-il expliqué.
Lorsque la lumière traverse la métasurface et la lentille, elle génère un ensemble de taches sombres.
« Ces taches sombres sont passionnantes car elles pourraient être utilisées comme pièges optiques pour capturer des atomes », a déclaré M. Lim. « Il est possible que cela serve à simplifier l’architecture optique utilisée dans les laboratoires de physique atomique, en remplaçant l’équipement conventionnel d’aujourd’hui – des instruments qui prennent 30 pieds d’espace sur une table de laboratoire – par des dispositifs optiques compacts et légers.
Les points noirs ne sont pas seulement utiles pour piéger les atomes. Ils peuvent également servir de positions de référence très précises pour l’imagerie.
« Les points d’obscurité sont beaucoup plus petits que les points lumineux », explique M. Lim. « Dans le cadre d’un système d’imagerie, cela en fait des points de mesure efficaces pour distinguer avec précision deux positions différentes au sein d’un échantillon.
Dans son article paru dans Science Advances, le groupe de Capasso décrit une nouvelle catégorie de singularités optiques : des points d’obscurité extrêmement stables dans un champ optique polarisé, connus sous le nom de singularités de polarisation.
« Nous avons conçu des points d’obscurité qui peuvent résister à un large éventail de perturbations – ils sont topologiquement protégés », a déclaré Christina Spaegele, premier auteur de l’article. « Cette robustesse ouvre la voie à des dispositifs optiques d’une grande fiabilité et d’une grande durabilité dans diverses applications.
Des recherches antérieures ont permis d’obtenir des singularités de polarisation, mais les conditions de maintien de ce point d’obscurité parfait étaient extrêmement fragiles, ce qui les rendait facilement destructibles par la lumière parasite ou d’autres conditions environnementales.
« En faisant briller la lumière à travers une métasurface et une lentille de focalisation spécialement conçues, nous pouvons produire une singularité de polarisation inébranlable entourée entièrement de points lumineux – créant essentiellement une tache sombre à l’intérieur d’une sphère de luminosité », a déclaré M. Spaegele.
La technique est si robuste que même l’introduction d’un défaut dans la métasurface ne détruit pas la tache sombre, mais déplace simplement sa position.
Ce degré de contrôle pourrait être particulièrement utile pour l’imagerie d’échantillons dans des environnements « hostiles », où les vibrations, la pression, la température et la lumière parasite interfèrent généralement avec le comportement de l’imagerie », a déclaré M. Spaegele.
L’équipe affirme que ces nouveaux développements en matière de singularités optiques ont des implications pour la télédétection et la détection secrète.
« Les points d’obscurité pourraient être utilisés pour masquer les sources lumineuses lors de l’imagerie d’une scène, ce qui nous permettrait de voir des objets peu lumineux qui seraient autrement éclipsés », a déclaré M. Capasso. Les objets ou les détecteurs placés à ces endroits sombres ne donneront pas non plus leur position en diffusant la lumière, ce qui leur permettra d’être « cachés » sans affecter la lumière environnante.
Références :
« Point singularity array with metasurfaces » par Soon Wei Daniel Lim, Joon-Suh Park, Dmitry Kazakov, Christina M. Spägele, Ahmed H. Dorrah, Maryna L. Meretska et Federico Capasso, 5 juin 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-39072-6
« Topologically protected optical polarization singularities in four-dimensional space » par Christina M. Spaegele, Michele Tamagnone, Soon Wei Daniel Lim, Marcus Ossiander, Maryna L. Meretska et Federico Capasso, 16 juin 2023, Science.
DOI : 10.1126/sciadv.adh0369
L’Office of Technology Development de Harvard a protégé la propriété intellectuelle issue de ces études et explore les possibilités de commercialisation.
Dmitry Kazakov, Ahmed H. Dorrah, Maryna L. Meterska, Michele Tamagnone et Marcus Ossiander ont également contribué à ces articles.
Cette recherche a été soutenue par l’Office de la recherche scientifique de l’armée de l’air et le Conseil européen de la recherche.