La façon dont les électrons interagissent avec les photons de lumière est un élément essentiel de nombreuses technologies modernes, des lasers aux panneaux solaires en passant par les LED. Mais l’interaction est intrinsèquement faible en raison d’un décalage d’échelle majeur : la longueur d’onde de la lumière visible est environ 1 000 fois plus grande qu’un électron, de sorte que la façon dont les deux choses s’affectent est limitée par cette disparité.
Maintenant, des chercheurs de l’Université de Hong Kong (HKU), du MIT et d’autres universités disent avoir trouvé un moyen innovant de rendre possibles des interactions plus robustes entre les photons et les électrons, qui multiplient par cent l’émission de lumière à partir d’un phénomène. appelé rayonnement de Smith-Purcell. Les résultats ont des ramifications potentielles pour les applications commerciales et la recherche scientifique fondamentale, bien qu’il faudra plus d’années d’enquête pour les mettre en pratique.
Les conclusions sont publiées dans La nature par le Dr Yi Yang (professeur adjoint du département de physique de HKU et ancien postdoctorant au MIT), le Dr Charles Roques-carmes (associé postdoctoral au MIT) et les professeurs Marin Soljačić et John Joannopoulos (professeurs du MIT). L’équipe de recherche comprenait également Steven Kooi de l’Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT, Haoning Tang et Eric Mazur de l’Université de Harvard, Justin Beroz du MIT et Ido Kaminer du Technion-Israel Institute of Technology.
Grâce à une combinaison de simulations informatiques et d’expériences en laboratoire, l’équipe a découvert qu’en utilisant un faisceau d’électrons avec un cristal photonique spécialement conçu – une plaque de silicium sur un isolant, gravée avec un réseau de trous à l’échelle nanométrique – ils prédisaient théoriquement une émission plus forte par plusieurs ordres de grandeur que ce qui serait normalement possible dans le rayonnement conventionnel de Smith-Purcell. Ils ont expérimentalement enregistré une multiplication par cent du rayonnement dans leurs mesures de preuve de concept.
Contrairement à d’autres approches de production de sources de lumière ou d’autres rayonnements électromagnétiques, la méthode basée sur les électrons libres est entièrement réglable – elle peut produire des émissions de n’importe quelle longueur d’onde souhaitée, simplement en ajustant la taille de la structure photonique et la vitesse des électrons. Cela peut s’avérer particulièrement utile pour créer des sources d’émission à des longueurs d’onde difficiles à produire efficacement, notamment les ondes térahertz, la lumière ultraviolette et les rayons X.
L’équipe a démontré l’amélioration au centuple de l’émission en utilisant un microscope électronique réutilisé pour fonctionner comme une source de faisceaux d’électrons. Mais ils disent que le principe de base impliqué pourrait potentiellement permettre des améliorations bien plus importantes en utilisant des dispositifs spécifiquement adaptés à cette fonction.
L’approche est basée sur un concept appelé « bandes plates », qui a été largement exploré ces dernières années en physique de la matière condensée et en photonique, mais qui n’a jamais été appliqué pour affecter l’interaction essentielle des photons et des électrons libres. Le principe sous-jacent implique le transfert de quantité de mouvement de l’électron à un groupe de photons ou vice versa. Alors que les interactions lumière-électron conventionnelles reposent sur un seul mode de lumière, le cristal photonique est réglé pour permettre la production simultanée de toute une gamme de modes à la même fréquence.
Le processus exact pourrait également être utilisé dans la direction opposée, en utilisant des ondes lumineuses résonnantes pour propulser les électrons, augmentant leur vitesse d’une manière qui pourrait potentiellement être exploitée pour construire des accélérateurs de particules miniaturisés sur une puce. Ceux-ci pourraient à terme être en mesure de remplir certaines fonctions qui nécessitent actuellement des tunnels souterrains géants, comme le Grand collisionneur de hadrons de 30 kilomètres de large en Suisse.
« Si vous pouviez réellement construire des accélérateurs d’électrons sur une puce », déclare Soljačić, « vous pourriez créer des accélérateurs beaucoup plus compacts pour certaines des applications d’intérêt, qui produiraient encore des électrons très énergétiques. Ce serait évidemment énorme, par exemple, pour radiothérapie. Pour de nombreuses applications, vous n’auriez pas besoin de construire ces énormes installations. »
Le système pourrait également être utilisé pour générer plusieurs photons intriqués, un effet quantique qui pourrait être utile pour créer des systèmes de calcul et de communication basés sur le quantum, selon les chercheurs. « Vous pouvez utiliser des électrons pour coupler de nombreux photons ensemble, ce qui est un problème considérablement difficile si vous utilisez une approche purement optique », explique Yang. « C’est l’une des directions futures passionnantes de notre travail. »
Beaucoup de travail reste à faire pour traduire ces nouvelles découvertes en dispositifs pratiques. Cela peut prendre quelques années pour développer les interfaces nécessaires entre les composants optiques et électroniques et comment les connecter sur une seule puce, et pour développer la source d’électrons sur puce nécessaire produisant un front d’onde continu, entre autres défis.
« C’est excitant », ajoute Roques-Carmes, « car il s’agit d’un type de source assez différent ». Alors que la plupart des technologies de génération de lumière sont limitées à des gammes de couleurs ou de longueurs d’onde très spécifiques, et « il est généralement difficile de déplacer cette fréquence d’émission. Ici, c’est complètement réglable. En changeant simplement la vitesse des électrons, vous pouvez changer la fréquence d’émission. Cela nous enthousiasme quant au potentiel de ces sources. Parce qu’elles sont différentes, elles offrent de nouveaux types d’opportunités.
Pour que les résultats de la recherche deviennent véritablement compétitifs par rapport à d’autres types de sources, il faudra encore quelques années de recherche. Avec de sérieux efforts dans deux à cinq ans, ils pourraient commencer à rivaliser dans au moins certains domaines de rayonnement.
Plus d’information:
Yi Yang, Résonances photoniques à bande plate pour le rayonnement des électrons libres, La nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-022-05387-5. www.nature.com/articles/s41586-022-05387-5