Des chercheurs démontrent des métasurfaces qui contrôlent le rayonnement thermique de manière inédite

Des chercheurs du Centre de recherche scientifique avancée du CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) ont démontré expérimentalement que les métasurfaces (matériaux bidimensionnels structurés à l’échelle nanométrique) peuvent contrôler avec précision les propriétés optiques du rayonnement thermique généré au sein même de la métasurface. Ce travail pionnier, publié dans La nanotechnologie naturelleouvre la voie à la création de sources lumineuses personnalisées dotées de capacités sans précédent, impactant un large éventail d’applications scientifiques et technologiques.

Le rayonnement thermique, une forme d’ondes électromagnétiques générées par des fluctuations aléatoires de la matière dues à la chaleur, est par nature à large bande passante et se compose de nombreuses couleurs. La lumière émise par une ampoule à incandescence en est un bon exemple. Elle n’est pas non plus polarisée et se propage dans toutes les directions en raison de son caractère aléatoire. Ces caractéristiques limitent souvent son utilité dans les applications qui nécessitent des propriétés lumineuses bien définies. En revanche, la lumière laser, connue pour sa fréquence, sa polarisation et sa direction de propagation définies, est bien définie, ce qui la rend inestimable pour de nombreuses applications clés de la société moderne.

Les métasurfaces offrent une solution plus efficace en contrôlant les ondes électromagnétiques grâce à des formes de nanopiliers soigneusement conçues et disposées sur leur surface. En faisant varier ces structures, les chercheurs peuvent contrôler la diffusion de la lumière et ainsi « façonner » efficacement la lumière de manière personnalisable. Jusqu’à présent, cependant, les métasurfaces n’ont été développées que pour contrôler les sources de lumière laser, et elles nécessitent des configurations d’excitation volumineuses et coûteuses.

« Notre objectif ultime est de mettre au point une technologie de métasurface qui ne nécessite pas de sources laser externes, mais qui permet de contrôler avec précision la manière dont son propre rayonnement thermique est émis et se propage », a déclaré l’un des principaux auteurs de l’étude, Adam Overvig, ancien chercheur postdoctoral à l’Initiative Photonique de l’ASRC de CUNY et actuellement professeur adjoint au Stevens Institute of Technology. « Notre travail constitue une étape importante dans cette quête, en jetant les bases d’une nouvelle classe de métasurfaces qui ne nécessitent pas de sources laser externes, mais sont alimentées par des oscillations incohérentes internes de la matière entraînées par la chaleur. »

Contrôle sans précédent du rayonnement thermique

L’équipe de recherche avait publié précédemment Des travaux théoriques ont montré qu’une métasurface correctement conçue pouvait façonner le rayonnement thermique qu’elle génère, en lui conférant des caractéristiques souhaitables telles que des fréquences définies, une polarisation personnalisée et même une forme de front d’onde souhaitée capable de créer un hologramme. Cette étude a prédit que, contrairement aux métasurfaces conventionnelles, une métasurface correctement conçue pourrait à la fois produire et contrôler son propre rayonnement thermique de manière innovante.

Dans cette avancée, l’équipe a entrepris de valider expérimentalement ces prédictions et de développer leurs nouvelles fonctionnalités. La métasurface a été obtenue en simplifiant l’architecture du dispositif précédemment envisagée, élégante mais difficile à réaliser, en une seule couche structurée avec un motif 2D. Cette conception simplifiée facilite la fabrication et la mise en œuvre pratique.

Alors que le rayonnement thermique conventionnel n’est pas polarisé, un objectif important de la recherche a été de permettre un rayonnement thermique avec une lumière polarisée circulairement, où le champ électrique oscille de manière rotative. Des travaux récents ont montré que des polarisations circulaires opposées (tournant respectivement avec des caractéristiques gauche et droite) pouvaient être divisées en directions opposées, mais il semblait y avoir une limite fondamentale au contrôle supplémentaire de la polarisation de la lumière émise.

La nouvelle conception de l’équipe transcende cette limitation, permettant une émission asymétrique de polarisation circulaire vers une seule direction, démontrant ainsi un contrôle total sur l’émission thermique.

« Les sources lumineuses personnalisées sont essentielles à de nombreux domaines scientifiques et technologiques », a déclaré Andrea Alù, professeur émérite et professeur Einstein de physique au Graduate Center de la City University of New York et directeur fondateur de la CUNY ASRC Photonics Initiative. « La capacité à créer des sources compactes et légères avec les caractéristiques spectrales, de polarisation et spatiales souhaitées est particulièrement convaincante pour les applications nécessitant une portabilité, telles que la technologie spatiale, la recherche sur le terrain en géologie et en biologie et les opérations militaires. Ce travail représente une étape importante vers la concrétisation de ces capacités. »

L’équipe a noté que les principes appliqués dans leurs travaux actuels peuvent être étendus aux diodes électroluminescentes (DEL), avec le potentiel d’améliorer une autre source de lumière très courante et bon marché, notoirement difficile à contrôler.

À l’avenir, l’équipe de recherche souhaite combiner ces éléments de base pour obtenir des modèles d’émission thermique plus complexes, comme la focalisation de l’émission thermique sur un point spécifique au-dessus de l’appareil ou la création d’un hologramme thermique. De telles avancées pourraient révolutionner la conception et la fonctionnalité des sources lumineuses personnalisées.