Un comportement lumineux inattendu peut être exploité pour améliorer les communications optiques et les capteurs

Faites briller une lampe de poche dans l’eau trouble d’un étang et le faisceau ne pénétrera pas très loin. L’absorption et la diffusion diminuent rapidement l’intensité du faisceau lumineux, qui perd un pourcentage fixe d’énergie par unité de distance parcourue. Ce déclin, connu sous le nom de décroissance exponentielle, est vrai pour la lumière traversant tout fluide ou solide qui absorbe et diffuse facilement l’énergie électromagnétique.

Mais ce n’est pas ce que les chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont découvert lorsqu’ils ont étudié un système miniature de diffusion de la lumière – une couche ultrafine de nitrure de silicium fabriquée sur une puce et gravée d’une série de rainures périodiques rapprochées. Les rainures créent un réseau – un dispositif qui diffuse différentes couleurs de lumière à différents angles – tandis que le nitrure de silicium agit pour confiner et guider la lumière entrante aussi loin que possible sur la longueur de 0,2 centimètre du réseau.

Le réseau diffuse la lumière – la plupart vers le haut, perpendiculairement à l’appareil – un peu comme le fait l’eau d’un étang. Et dans la plupart de leurs expériences, les scientifiques du NIST ont observé cela. L’intensité de la lumière diminua de façon exponentielle et ne put éclairer que les premières rainures du réseau.

Cependant, lorsque l’équipe du NIST a ajusté la largeur des rainures pour qu’elles soient presque égales à l’espacement entre elles, les scientifiques ont trouvé quelque chose de surprenant. S’ils choisissaient avec soin une longueur d’onde spécifique de lumière infrarouge, l’intensité de cette lumière diminuait beaucoup plus lentement à mesure qu’elle se déplaçait le long du réseau. L’intensité a diminué linéairement avec la distance parcourue plutôt que de façon exponentielle.

Les scientifiques étaient tout aussi intrigués par une propriété de la lumière infrarouge diffusée vers le haut à partir du réseau. Chaque fois que l’intensité de la lumière le long du réseau passait d’un déclin exponentiel à un déclin linéaire, la lumière diffusée vers le haut formait un faisceau large qui avait la même intensité partout. Un large faisceau lumineux d’intensité uniforme est un outil hautement souhaitable pour de nombreuses expériences impliquant des nuages ​​d’atomes.

L’ingénieur électricien et informatique Sangsik Kim n’avait jamais rien vu de tel. Lorsqu’il a observé pour la première fois le comportement étrange dans les simulations qu’il a effectuées au NIST au printemps 2017, lui et le scientifique vétéran du NIST, Vladimir Aksyuk, craignaient qu’il n’ait commis une erreur. Mais deux semaines plus tard, Kim a constaté le même effet dans des expériences de laboratoire utilisant de véritables réseaux de diffraction.

Si la longueur d’onde se déplaçait même légèrement ou si l’espacement entre les rainures ne changeait que d’une infime quantité, le système revenait à une décroissance exponentielle.

Il a fallu plusieurs années à l’équipe du NIST pour développer une théorie qui pourrait expliquer l’étrange phénomène. Les chercheurs ont découvert qu’il avait ses racines dans l’interaction complexe entre la structure du réseau, la lumière se déplaçant vers l’avant, la lumière diffusée vers l’arrière par les rainures du réseau et la lumière diffusée vers le haut. À un moment critique, connu sous le nom de point exceptionnel, tous ces facteurs conspirent pour modifier considérablement la perte d’énergie lumineuse, la faisant passer d’une décroissance exponentielle à une décroissance linéaire.

Les chercheurs ont été surpris de constater que le phénomène qu’ils ont observé avec la lumière infrarouge est une propriété universelle de tout type d’onde voyageant à travers une structure périodique avec perte, qu’il s’agisse d’ondes acoustiques, de lumière infrarouge ou radio.

Cette découverte pourrait permettre aux chercheurs de transmettre des faisceaux de lumière d’un dispositif à puce à un autre sans perdre autant d’énergie, ce qui pourrait être une aubaine pour les communications optiques. Le faisceau large et uniforme sculpté par la pointe exceptionnelle est également idéal pour étudier un nuage d’atomes. La lumière fait sauter les atomes d’un niveau d’énergie à un autre ; sa largeur et son intensité uniforme permettent au faisceau d’interroger les atomes en mouvement rapide pendant une plus longue période de temps. Mesurer avec précision la fréquence de la lumière émise lorsque les atomes effectuent de telles transitions est une étape clé dans la construction d’horloges atomiques très précises et la création de systèmes de navigation précis basés sur des vapeurs atomiques piégées.

Plus généralement, a déclaré Aksyuk, le faisceau de lumière uniforme permet d’intégrer des dispositifs photoniques portables à base de puces à des expériences optiques à grande échelle, réduisant ainsi leur taille et leur complexité. Une fois que le faisceau lumineux uniforme sonde une vapeur atomique, par exemple, l’information peut être renvoyée à la puce photonique et y être traitée.

Une autre application potentielle est la surveillance de l’environnement. Parce que la transformation de l’absorption exponentielle à l’absorption linéaire est soudaine et extrêmement sensible à la longueur d’onde de la lumière sélectionnée, elle pourrait constituer la base d’un détecteur de haute précision de traces de polluants. Si un polluant à la surface modifie la longueur d’onde de la lumière dans le réseau, le point exceptionnel disparaîtra brusquement et l’intensité lumineuse passera rapidement d’une décroissance linéaire à une décroissance exponentielle, a déclaré Aksyuk.

Les chercheurs, dont Aksyuk et Kim, qui est maintenant à la Texas Tech University à Lubbock, ont rapporté leurs découvertes en ligne dans le numéro du 21 avril de Nanotechnologie de la nature.