La lumière peut être absorbée ou réfléchie à la surface d’un matériau selon les propriétés de la matière ou changer de forme et être convertie en énergie thermique. En atteignant la surface d’un matériau métallique, la lumière a également tendance à perdre de l’énergie au profit des électrons à l’intérieur du métal, un large éventail de phénomènes que nous appelons « perte optique ».
La production d’éléments optiques ultra-petits qui utilisent la lumière est difficile car plus la taille d’un composant optique est petite, plus la perte optique est importante. Cependant, ces dernières années, la théorie non hermitienne, qui utilise la perte optique d’une manière entièrement différente, a été appliquée à la recherche en optique. De nouvelles découvertes en physique sont faites en adoptant une théorie non hermitienne qui englobe la perte optique, en explorant les moyens d’utiliser le phénomène, contrairement à la physique générale, où la perte optique est perçue comme un composant imparfait d’un système optique. Une « bénédiction déguisée » est ce qui semble initialement être un désastre mais qui se traduit finalement par de la chance. Cette histoire de recherche est une bénédiction déguisée en physique.
Prof. Junsuk Rho (Départements de génie mécanique et de génie chimique) de POSTECH et Ph.D. les candidats Heonyeong Jeon et Seokwoo Kim (génie mécanique) de POSTECH, et le professeur Yongmin Liu de la Northeastern University (NEU) à Boston et leur équipe de recherche conjointe ont pu contrôler la direction des faisceaux lumineux à l’aide de systèmes de méta-réseaux non hermitiens. Le papier a été présenté dans Avancées scientifiques.
Lorsque la lumière tombe sur une surface métallique, les électrons du métal oscillent collectivement comme un seul corps avec l’onde lumineuse. Le phénomène est appelé polariton des plasmons de surface ou SPP. Un « coupleur de réseau » est largement utilisé comme dispositif auxiliaire pour contrôler les directions des SPP. L’efficacité du dispositif est limitée en ce qu’il convertit la lumière incidente à angle droit en SPP dans des directions non souhaitées.
L’équipe de recherche a appliqué une théorie non hermitienne pour surmonter cet inconvénient. Pour commencer, l’équipe a calculé le point théorique exceptionnel près duquel une certaine perte optique se produit. Ensuite, ils ont validé son efficacité par des expériences utilisant leur coupleur méta-réseau non hermitien spécialement conçu. Le coupleur de méta-réseau s’est avéré efficace pour fournir un contrôle unidirectionnel des SSP, ce qui était presque impossible avec d’autres coupleurs de réseau. Ils pourraient également faire en sorte que la lumière et le SPP se propagent dans des directions opposées en contrôlant la taille et la distance des méta-réseaux. L’équipe de recherche a pu convertir la lumière incidente en SSP en lumière normale en utilisant le même dispositif de méta-réseau.
Les résultats de la recherche peuvent être utiles dans la recherche sur les capteurs quantiques dans divers domaines, tels que la détection d’antigènes pour le diagnostic de maladies ou de gaz nocifs dans l’atmosphère, qui, combinés à l’ingénierie, pourraient ouvrir la porte à un large éventail d’applications. Le professeur Junsuk Rho, qui dirigeait l’équipe, a déclaré : « Cette recherche a amené l’optique non hermitienne sur le territoire à l’échelle nanométrique. Elle contribuera au développement de futurs dispositifs plasmoniques dotés d’une excellente contrôlabilité de direction et de performances.
Plus d’information:
Yihao Xu et al, Contrôle sous-longueur d’onde du transport de la lumière au point exceptionnel par métaréseaux non hermitiens, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adf3510