Traditionnellement, la recherche active sur les métasurfaces s’est principalement concentrée sur la modification de la constante diélectrique et de la perméabilité du substrat, ce qui entraîne fréquemment un effet de résonance et une perte ohmique. Cependant, une métasurface reconfigurable basée sur la déformation mécanique peut éviter ces problèmes. Pour le moment, cependant, les métasurfaces reconfigurables mécaniques représentées par les processus de déformation induits par MEMS et FIB sont difficiles à fabriquer ou ont une résilience limitée. En tant que nouveau type de matériau polymère à cristaux liquides, l’élastomère à cristaux liquides (LCE) peut réaliser une déformation élastique contrôlable et récupérable en réponse à une élévation de température ou à une irradiation lumineuse, ce qui a suscité un énorme intérêt dans les communautés de la chimie, des matériaux et de la bionique. Les bonnes performances de déformation optique/thermique du LCE suggèrent qu’il serait un excellent candidat pour jouer un rôle actif dans les métasurfaces reconfigurables, même si jusqu’à présent il était rarement utilisé pour moduler la réponse des métasurfaces.
Dans un nouvel article publié dans Sciences de la lumière et applications, une équipe de scientifiques, dirigée par le professeur Jianqiang Gu du Center for Terahertz Waves, Université de Tianjin, Chine, et le professeur Dan Luo du Département de génie électrique et électronique, Southern University of Science and Technology, Chine, a synthétisé un type de LCE composé d’un monomère de cristal liquide (RM006), d’un agent de réticulation de cristal liquide (RM257) et d’un photoinitiateur (Irgacure 651). Lorsque la température dépasse le point de transition de phase, les contraintes générées dans la monocouche LCE plieront l’ensemble du LCE du côté de l’orientation parallèle moléculaire.
Le groupe de recherche a exploré le film LCE en tant que substrat flexible pour concevoir une métasurface à discontinuité de phase avec des anneaux fendus en forme de C en aluminium comme résonateurs, réalisant une manipulation active de la direction du front d’onde térahertz à large bande. Le gradient de phase linéaire de la métasurface est construit par huit anneaux fendus en forme de C avec un intervalle de phase de π/4, qui sont disposés périodiquement sur le substrat LCE. Lorsqu’une onde térahertz incidente traverse la métasurface, la direction de sortie de la polarisation orthogonale dévie selon la loi de Snell généralisée, ce qui entraîne une direction du front d’onde térahertz.
Au début de ce travail, les échelles spécifiques des anneaux fendus en forme de C ont été déterminées à l’aide de simulations numériques en harmonie avec la prédiction théorique, puis les échantillons LCE conçus ont été fabriqués par photolithographie, évaporation sous vide et gravure humide.
L’angle de sortie de l’onde à polarisation croisée à travers l’échantillon de métasurface LCE a été mesuré dans un système de spectroscopie dans le domaine temporel térahertz à résolution angulaire basé sur un échantillonnage asynchrone. Il a été prouvé que la métasurface LCE fonctionne comme un orienteur de faisceau exceptionnel dont l’angle de sortie varie de 70° à 25° pour 0,48 ~ 1,1 THz.
Pour obtenir la déviation précise du substrat LCE flexible, l’impulsion femtoseconde avec une longueur d’onde centrale de 1030 nm a été focalisée sur le bord de l’échantillon par une lentille cylindrique, formant une ligne focale sur le substrat LCE. L’effet photothermique induit une flexion du LCE autour de la ligne irradiée, tandis que la partie non irradiée reste plane, réalisant ainsi la déviation globale de la métasurface. En modifiant la puissance de la lumière infrarouge de la pompe, les chercheurs ont pu contrôler l’angle de déviation de la métasurface LCE, et la vitesse de modulation a pu atteindre l’ordre de quelques secondes.
Avec quatre puissances de pompe, la métasurface LCE dévie à différents degrés. En augmentant la puissance de la pompe, l’angle de sortie augmente progressivement et cet incrément d’angle à basse fréquence est plus prononcé. Avec la pompe infrarouge la plus puissante, l’angle de sortie de l’onde térahertz de 0,68 THz atteint l’angle de réglage maximal de 22°.
« Nous avons en outre étudié les performances et les perspectives des métasurfaces LCE proposées en tant qu’orienteur de faisceau térahertz, modulateur de fréquence et séparateur de faisceau actif », notent les chercheurs.
« Nous pensons que le potentiel démontré par notre métasurface LCE offre des options considérables pour le suivi de faisceau, le filtrage de fréquence et la détection de température dans la bande térahertz, ce qui à son tour fera progresser la R&D dans la communication sans fil de nouvelle génération, l’imagerie térahertz et l’inspection par spectroscopie térahertz. Le principe de conception proposé dans ce travail peut être étendu à d’autres bandes de fréquences, ouvrant une voie considérable pour l’étude des métasurfaces actives », prévoient les chercheurs.
Plus d’information:
Xiaolin Zhuang et al, Orientation active du faisceau térahertz basée sur la déformation mécanique de la métasurface de l’élastomère à cristaux liquides, Lumière : science et applications (2023). DOI : 10.1038/s41377-022-01046-6