L’avancement technologique des lentilles optiques a longtemps été un marqueur important de la réussite scientifique humaine. Lunettes, télescopes, appareils photo et microscopes nous ont tous permis, au propre comme au figuré, de voir le monde sous un nouveau jour. Les lentilles sont également un élément fondamental de la fabrication de nanoélectronique par l’industrie des semi-conducteurs.
L’une des percées les plus marquantes de la technologie des lentilles dans l’histoire récente a été le développement de métasurfaces photoniques, des matériaux nanométriques artificiellement conçus avec des propriétés optiques remarquables. Les chercheurs de Georgia Tech à la pointe de cette technologie ont récemment démontré la toute première plate-forme de métasurface photonique accordable électriquement dans une étude récente publiée par Communication Nature.
« Les métasurfaces peuvent rendre les systèmes optiques très minces, et à mesure qu’ils deviennent plus faciles à contrôler et à régler, vous les trouverez bientôt dans les caméras de téléphones portables et les systèmes d’imagerie électronique similaires », a déclaré Ali Adibi, professeur à l’École de génie électrique et informatique. à l’Institut de technologie de Géorgie.
Les mesures de réglage prononcées obtenues grâce à la nouvelle plate-forme représentent une avancée critique vers le développement de métasurfaces reconfigurables miniaturisées. Les résultats de l’étude ont montré un changement record de onze fois dans les propriétés de réflexion, une large gamme de réglage spectral pour le fonctionnement et une vitesse de réglage beaucoup plus rapide.
Réchauffer les métasurfaces
Les métasurfaces sont une classe de matériaux nanophotoniques dans lesquels une large gamme d’éléments miniaturisés sont conçus pour affecter la transmission et la réflexion de la lumière à différentes fréquences de manière contrôlée.
« Lorsqu’elles sont visualisées sous des microscopes très puissants, les métasurfaces ressemblent à un réseau périodique de poteaux », a déclaré Adibi. « La meilleure analogie serait de penser à un motif LEGO formé en connectant de nombreuses briques LEGO similaires les unes à côté des autres. »
Depuis leur création, les métasurfaces ont été utilisées pour démontrer que les dispositifs optiques très fins peuvent affecter la propagation de la lumière, les métalens (la formation de lentilles minces) étant l’application la plus développée.
Malgré des progrès impressionnants, la plupart des métasurfaces démontrées sont passives, ce qui signifie que leurs performances ne peuvent pas être modifiées (ou ajustées) après la fabrication. Le travail présenté par Adibi et son équipe, dirigée par Ph.D. Le candidat Sajjad Abdollahramezani, applique de la chaleur électrique à une classe spéciale de matériaux nanophotoniques pour créer une plate-forme permettant de fabriquer facilement des métasurfaces reconfigurables avec des niveaux élevés de modulation optique.
Les PCM apportent la réponse
Une large gamme de matériaux peut être utilisée pour former des métasurfaces, y compris des métaux, des oxydes et des semi-conducteurs, mais les recherches d’Abdollahramezani et d’Adibi se concentrent sur les matériaux à changement de phase (PCM) car ils peuvent former les structures les plus efficaces avec les plus petites tailles de caractéristiques. Les PCM sont des substances qui absorbent et libèrent de la chaleur pendant le processus de chauffage et de refroidissement. Ils sont appelés matériaux « à changement de phase » car ils passent d’un état de cristallisation à un autre au cours du processus de cyclage thermique. L’eau passant d’un liquide à un solide ou à un gaz est l’exemple le plus courant.
Les expériences de l’équipe de Georgia Tech sont nettement plus compliquées que le chauffage et la congélation de l’eau. Sachant que les propriétés optiques des PCM peuvent être altérées par un chauffage local, ils ont exploité tout le potentiel de l’alliage PCM Ge2Sb2Te5 (GST), qui est un composé de germanium, d’antimoine et de tellure.
En combinant la conception optique avec un microchauffeur électrique miniaturisé en dessous, l’équipe peut modifier la phase cristalline du GST pour rendre possible le réglage actif du dispositif de métasurface. Les métasurfaces fabriquées ont été développées à l’Institut d’électronique et de nanotechnologie (IEN) de Georgia Tech et testées dans des laboratoires de caractérisation en éclairant les métasurfaces reconfigurables avec une lumière laser à différentes fréquences et en mesurant les propriétés de la lumière réfléchie en temps réel.
Ce que les métasurfaces accordables signifient pour l’avenir
Poussées par la miniaturisation des appareils et l’intégration des systèmes, ainsi que par leur capacité à refléter sélectivement différentes couleurs de lumière, les métasurfaces remplacent rapidement les assemblages optiques encombrants du passé. Un impact immédiat sur des technologies telles que les systèmes LiDAR pour les voitures autonomes, l’imagerie, la spectroscopie et la détection est attendu.
Avec un développement ultérieur, des applications plus agressives comme l’informatique, la réalité augmentée, les puces photoniques pour l’intelligence artificielle et la détection des risques biologiques peuvent également être envisagées, selon Abdollahramezani et Adibi.
« Alors que la plate-forme continue de se développer, des métasurfaces reconfigurables seront trouvées partout », a déclaré Adibi. « Ils permettront même à des endoscopes plus petits d’aller profondément à l’intérieur du corps pour une meilleure imagerie et aideront les capteurs médicaux à détecter différents biomarqueurs dans le sang. »
Sajjad Abdollahramezani et al, métasurface à changement de phase reprogrammable à commande électrique atteignant une efficacité de 80%, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-29374-6