Une lumière vive et tordue peut être produite avec une technologie similaire à celle d’une ampoule Edison, ont montré des chercheurs de l’Université du Michigan. Cette découverte ajoute des nuances à la physique fondamentale tout en offrant une nouvelle voie aux systèmes de vision robotique et à d’autres applications de la lumière qui trace une hélice dans l’espace.
« Il est difficile de générer suffisamment de luminosité lors de la production de lumière tordue avec des méthodes traditionnelles comme la luminescence électronique ou photonique », a déclaré Jun Lu, chercheur adjoint en génie chimique à l’UM et premier auteur de l’étude. étude en couverture de cette semaine Science.
« Nous avons progressivement remarqué que nous disposions d’une manière très ancienne de générer ces photons, sans compter sur des excitations de photons et d’électrons, mais comme l’ampoule développée par Edison. »
Chaque objet exposé à de la chaleur, y compris vous-même, envoie constamment des photons (particules de lumière) dans un spectre lié à sa température. Lorsque l’objet est à la même température que son environnement, il absorbe également une quantité équivalente de photons – ceci est idéalisé sous le nom de « rayonnement du corps noir » car la couleur noire absorbe toutes les fréquences de photons.
Même si le filament d’une ampoule au tungstène est beaucoup plus chaud que son environnement, la loi définissant le rayonnement du corps noir – la loi de Planck – offre une bonne approximation du spectre de photons qu’elle émet. Dans l’ensemble, les photons visibles ressemblent à de la lumière blanche, mais lorsque vous faites passer la lumière à travers un prisme, vous pouvez voir l’arc-en-ciel de différents photons à l’intérieur.
Ce rayonnement est également la raison pour laquelle vous apparaissez brillamment sur une image thermique, mais même les objets à température ambiante émettent et reçoivent constamment des photons du corps noir, ce qui les rend également faiblement visibles.
Généralement, la forme de l’objet émettant le rayonnement n’est pas vraiment prise en compte : dans la plupart des cas (comme c’est souvent le cas en physique), l’objet peut être imaginé comme une sphère. Mais si la forme n’affecte pas le spectre de longueurs d’onde des différents photons, elle peut affecter une propriété différente : leur polarisation.
Habituellement, les photons provenant d’une source de corps noir sont polarisés de manière aléatoire : leurs ondes peuvent osciller le long de n’importe quel axe. La nouvelle étude a révélé que si l’émetteur était tordu à l’échelle micro ou nanométrique, avec la longueur de chaque torsion similaire à la longueur d’onde de la lumière émise, le rayonnement du corps noir serait également tordu. La force de la torsion de la lumière, ou sa polarisation elliptique, dépendait de deux facteurs principaux : la proximité de la longueur d’onde du photon par rapport à la longueur de chaque torsion et les propriétés électroniques du matériau – nanocarbone ou métal, dans ce cas.
La lumière torsadée est également appelée « chirale » car les rotations dans le sens horaire et antihoraire sont des images miroir l’une de l’autre. L’étude a été entreprise pour démontrer les prémisses d’un projet plus appliqué que l’équipe du Michigan aimerait poursuivre : utiliser le rayonnement chiral du corps noir pour identifier des objets. Ils imaginent des robots et des voitures autonomes capables de voir comme des crevettes-mantes, différenciant les ondes lumineuses avec différentes directions de tourbillon et degrés de torsion.
« Les progrès en physique du rayonnement du corps noir par les nanostructures chirales sont au cœur de cette étude. De tels émetteurs sont partout autour de nous », a déclaré Nicholas Kotov, professeur émérite Irving Langmuir de sciences chimiques et d’ingénierie, directeur du NSF Center of Complex Particles and Particle Systems. (COMPASS) et auteur correspondant de l’étude.
« Ces découvertes, par exemple, pourraient être importantes pour qu’un véhicule autonome fasse la différence entre un cerf et un humain, qui émettent de la lumière avec des longueurs d’onde similaires mais une hélicité différente car la fourrure du cerf a une boucle différente de celle de notre tissu. »
Bien que la luminosité soit le principal avantage de cette méthode de production de lumière torsadée (jusqu’à 100 fois plus brillante que les autres approches), la lumière comprend un large spectre de longueurs d’onde et de torsions. L’équipe a des idées sur la manière de résoudre ce problème, notamment en explorant la possibilité de construire un laser reposant sur des structures torsadées émettant de la lumière.
Kotov souhaite également explorer davantage le spectre infrarouge. La longueur d’onde maximale du rayonnement du corps noir à température ambiante est d’environ 10 000 nanomètres ou 0,01 millimètre.
« Il s’agit d’une zone du spectre avec beaucoup de bruit, mais il pourrait être possible d’améliorer le contraste grâce à leur polarisation elliptique », a déclaré Kotov.
Kotov est également professeur d’ingénierie Joseph B. et Florence V. Cejka, professeur de science et d’ingénierie macromoléculaires et membre du Biointerfaces Institute de l’UM. Lu est un nouveau professeur adjoint de chimie et de physique à l’Université nationale de Singapour.
L’appareil a été construit dans le laboratoire COMPASS situé au complexe de recherche du campus nord de l’UM et étudié au Michigan Center for Materials Characterization.
Plus d’informations :
Jun Lu et al, Rayonnement lumineux et polarisé circulairement du corps noir provenant de filaments de nanocarbone torsadés, Science (2024). DOI : 10.1126/science.adq4068