Surmonter la perte optique dans un système de polaritons avec des ondes de fréquence complexes synthétiques

Une équipe de recherche collaborative codirigée par le professeur Shuang Zhang, chef par intérim du département de physique de l’Université de Hong Kong (HKU), ainsi que par le professeur Qing DAI du Centre national des nanosciences et technologies de Chine, a introduit une solution pour un problème répandu dans le domaine de la nanophotonique, qui est l’étude de la lumière à une échelle extrêmement petite.

Leurs découvertes, récemment publié dans Matériaux naturelsproposent une approche d’onde de fréquence complexe synthétique (CFW) pour traiter la perte optique dans la propagation du polariton.

Ces résultats offrent des solutions pratiques, telles que des dispositifs basés sur la lumière plus efficaces pour un stockage et un traitement des données plus rapides et plus compacts dans des dispositifs tels que des puces informatiques et des dispositifs de stockage de données, ainsi qu’une précision améliorée des capteurs, des techniques d’imagerie et des systèmes de sécurité.

Les polaritons de plasmons de surface et les polaritons de phonons offrent des avantages tels qu’un stockage efficace de l’énergie, une amélioration du champ local et des sensibilités élevées, bénéficiant de leur capacité à confiner la lumière à petite échelle. Cependant, leurs applications pratiques sont entravées par le problème de la perte ohmique, qui provoque une dissipation d’énergie lors de l’interaction avec des matériaux naturels.

Au cours des trois dernières décennies, cette limitation a entravé les progrès de la nanophotonique pour les circuits de détection, de superimagerie et nanophotoniques. Surmonter la perte ohmique améliorerait considérablement les performances des appareils, permettant ainsi des progrès dans la technologie de détection, l’imagerie haute résolution et les circuits nanophotoniques avancés.

Le professeur Shuang Zhang, auteur correspondant de l’article, a expliqué l’orientation de la recherche : « Pour relever le défi de la perte optique dans des applications clés, nous avons proposé une solution pratique. En employant une nouvelle excitation d’ondes complexes synthétiques, nous pouvons obtenir un gain virtuel et contrecarrer  » la perte intrinsèque du système de polaritons. Pour valider cette approche, nous l’avons appliquée au système de propagation de polaritons de phonons et avons observé une amélioration significative de la propagation des polaritons. « 

« Nous avons démontré notre approche en menant des expériences utilisant des matériaux polaritons de phonons, tels que hBN et MoO3, dans la gamme de fréquences optiques. Comme prévu, nous avons obtenu une distance de propagation presque sans perte, conforme à nos prédictions théoriques », a ajouté le Dr Fuxin Guan, premier auteur de l’article. auteur et chercheur postdoctoral au Département de physique de HKU.

Approche multifréquence pour surmonter la perte optique

Dans cette recherche, l’équipe a développé une nouvelle approche à fréquences multiples pour traiter la perte d’énergie lors de la propagation du polariton. Ils ont utilisé un type spécial d’onde appelé « ondes de fréquence complexe » pour obtenir un gain virtuel et compenser la perte dans un système optique. Alors qu’une onde régulière maintient une amplitude ou une intensité constante dans le temps, une onde de fréquence complexe présente simultanément une oscillation et une amplification. Cette caractéristique permet une représentation plus complète du comportement des vagues et permet de compenser la perte d’énergie.

Si la fréquence est communément perçue comme un nombre réel, elle peut aussi avoir une partie imaginaire. Cette partie imaginaire nous indique comment la vague devient plus forte ou plus faible avec le temps. Les ondes avec une fréquence complexe comportant une partie imaginaire négative (positive) se désintègrent (s’amplifient) avec le temps. Cependant, effectuer directement notre mesure sous l’excitation d’ondes de fréquence complexes en optique est un défi car cela nécessite des mesures temporelles complexes.

Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont utilisé l’outil mathématique de transformation de Fourier pour décomposer une onde de fréquence complexe tronquée (CFW) en plusieurs composants avec des fréquences individuelles.

Tout comme lorsque vous cuisinez et avez besoin d’un ingrédient spécifique difficile à trouver, les chercheurs ont utilisé une idée similaire. Ils ont décomposé les ondes de fréquence complexes en composants plus simples, comme l’utilisation d’ingrédients de substitution dans une recette. Chaque composant représentait un aspect différent de la vague. C’est comme créer un plat délicieux en utilisant des ingrédients de substitution pour obtenir la saveur désirée.

En mesurant ces composants à différentes fréquences et en combinant les données, ils ont reconstruit le comportement du système éclairé par l’onde de fréquence complexe. Cela les a aidés à comprendre et à compenser la perte d’énergie. Cette approche simplifie grandement la mise en œuvre pratique des CFW dans différentes applications, notamment la propagation des polaritons et la superimagerie.

En effectuant des mesures optiques à différentes fréquences réelles avec un intervalle fixe, il devient possible de construire la réponse optique du système à une fréquence complexe. Ceci est réalisé en combinant mathématiquement les réponses optiques obtenues à différentes fréquences réelles.

Le professeur Qing Dai, du Centre national des nanosciences et technologies et autre auteur correspondant de l’article, a déclaré que ces travaux ont fourni une solution pratique pour résoudre le problème de longue date de la perte optique en nanophotonique.

Il a souligné l’importance de la méthode de synthèse des fréquences complexes, affirmant qu’elle peut être facilement appliquée à diverses autres applications telles que la détection moléculaire et les circuits intégrés nanophotoniques. Il a en outre souligné que « cette méthode est remarquable et universellement applicable, car elle peut également être utilisée pour traiter les pertes dans d’autres systèmes d’ondes, notamment les ondes sonores, les ondes élastiques et les ondes quantiques, améliorant ainsi la qualité de l’imagerie à des niveaux sans précédent ».

Démonstration expérimentale

Comme preuve de concept, l’équipe a commencé par la propagation des polaritons de phonons (PhP) à des fréquences optiques d’environ 1 450 cm-1 à l’aide de films hBN. Une longue antenne en or placée sur le film hBN est utilisée pour lancer les PhP 1D. Les distributions de champ des deux fréquences réelles et des deux fréquences complexes sont affichées respectivement sur les figures 2a et 2b.

Les résultats expérimentaux démontrent que même si la propagation aux fréquences réelles subit une forte atténuation, le polariton aux fréquences complexes ne subit pratiquement aucune décroissance au cours de la propagation.

L’équipe a en outre appliqué l’approche de fréquence complexe pour étudier les distributions de champ plus complexes supportées par un film mince de cristal de van der Waals α-MoO3, qui est hautement anisotrope et prend en charge les polaritons hyperboliques naturels dans le plan.

Une antenne métallique servant de source d’excitation est placée sur le film d’α-MoO3, comme le montre la figure 3a. La variation de la distribution de champ présente un comportement de propagation hyperbolique caractéristique avec un front d’onde concave (voir Fig. 3b).

Avec l’augmentation de la fréquence, la longueur d’onde diminue avec un confinement de champ plus fort, et parallèlement, la propagation devient plus atténuée. Tous ces tracés de fréquence réelle sont combinés en fonction du rapport de fréquence complexe pour obtenir le résultat de fréquence complexe sur la figure 3c.

L’équipe a finalement étudié le comportement d’interférence des PhP en utilisant l’approche des fréquences complexes. Deux antennes circulaires de diamètres différents sont fabriquées sur le film MoO3 pour exciter les polaritons des phonons, comme le montre la figure 3d.

Bien que les tracés de fréquence réels ne puissent pas montrer de franges d’interférence claires, comme le montre la figure 3e, les tracés de fréquence complexes de franges d’interférence claires peuvent être synthétisés après avoir combiné les résultats de différentes fréquences réelles et comme le montre la figure 3f.