Grâce à une nouvelle percée qui utilise un matériau spécialisé de seulement trois atomes d’épaisseur, les scientifiques peuvent contrôler la lumière plus précisément que jamais. Crédit : Caltech
La plupart d’entre nous contrôlent la lumière tout le temps sans même y penser, généralement de manière banale : nous enfilons une paire de lunettes de soleil et mettons de la crème solaire, et fermons ou ouvrons nos stores.
Mais le contrôle de la lumière peut aussi prendre des formes high-tech. L’écran de l’ordinateur, de la tablette ou du téléphone sur lequel vous lisez ceci en est un exemple. Un autre est celui des télécommunications, qui contrôle la lumière pour créer des signaux qui transportent des données le long des câbles à fibres optiques.
Les scientifiques utilisent également des méthodes de haute technologie pour contrôler la lumière en laboratoire, et maintenant, grâce à une nouvelle percée qui utilise un matériau spécialisé de seulement trois atomes d’épaisseur, ils peuvent contrôler la lumière plus précisément que jamais auparavant.
Le travail a été mené dans le laboratoire de Harry Atwater, Otis Booth Leadership Chair de la Division of Engineering and Applied Science, Howard Hughes Professor of Applied Physics and Materials Science, et directeur de la Liquid Sunlight Alliance (LiSA). Il apparaît dans un article publié dans le numéro du 22 octobre de Science.
Pour comprendre le travail, il est utile de se rappeler d’abord que la lumière existe sous forme d’onde et qu’elle possède une propriété appelée polarisation, qui décrit la direction dans laquelle les ondes vibrent. Imaginez être dans un bateau qui flotte sur l’océan : les vagues de l’océan ont une polarisation verticale, ce qui signifie que lorsque les vagues passent sous le bateau, elles montent et descendent. Les ondes lumineuses se comportent à peu près de la même manière, sauf que ces ondes peuvent être polarisées à n’importe quel angle. Si un bateau pouvait surfer sur des vagues de lumière, il pourrait se balancer d’un côté à l’autre, ou en diagonale, ou même en spirale.
La polarisation fait référence à l’orientation dans laquelle une onde (y compris la lumière) vibre. L’angle de polarisation peut être modifié. Crédit : Smouss/Wikimedia Commons
La polarisation peut être utile car elle permet de contrôler la lumière de manière spécifique. Par exemple, les verres de vos lunettes de soleil bloquent l’éblouissement (la lumière se polarise souvent lorsqu’elle se réfléchit sur une surface, comme la vitre d’une voiture). L’écran d’une calculatrice de bureau crée des nombres lisibles en polarisant la lumière et en la bloquant dans certaines zones. Les zones où la lumière polarisée est bloquée apparaissent sombres, tandis que les zones où la lumière n’est pas bloquée apparaissent claires.
L’affichage d’une calculatrice qui utilise les propriétés de la lumière polarisée pour créer des zones claires et sombres lisibles sous forme de nombres et d’autres chiffres. Crédit : David R. Tribble/Wikimedia Commons
Dans l’article, Atwater et ses co-auteurs décrivent comment ils ont utilisé trois couches d’atomes de phosphore pour créer un matériau de polarisation de la lumière accordable, précis et extrêmement fin.
Le matériau est construit à partir de phosphore noir, qui est similaire à bien des égards au graphite, ou graphène, formes de carbone qui se composent d’un seulatome-couches épaisses. Mais alors que les couches de graphène sont parfaitement plates, les couches de phosphore noir sont nervurées, comme la texture d’un pantalon en velours côtelé ou d’un carton ondulé. (Le phosphore se présente également sous des formes rouges, blanches et violettes, distinctes en raison de la disposition des atomes à l’intérieur.)
Cette structure cristalline, selon Atwater, confère au phosphore noir des propriétés optiques significativement anisotropes. « L’anisotropie signifie que cela dépend de l’angle », explique-t-il. « Dans un matériau comme le graphène, la lumière est absorbée et réfléchie de manière égale, quel que soit l’angle sous lequel elle est polarisée. Le phosphore noir est très différent dans le sens où si la polarisation de la lumière est alignée le long des ondulations, elle a une réponse très différente que si elle est alignée perpendiculairement aux ondulations.
Lorsque la lumière polarisée est orientée à travers les ondulations en phosphore noir, elle interagit avec le matériau différemment que lorsqu’elle est orientée le long des ondulations, un peu comme la façon dont il est plus facile de se frotter la main le long des côtes en velours côtelé que de se frotter la main à travers eux.
Des feuilles de phosphore noir, tout comme ce tissu en velours côtelé, sont côtelées. Crédit : Ariel Glenn/Wikimedia Commons
Cependant, de nombreux matériaux peuvent polariser la lumière et cette capacité à elle seule n’est pas particulièrement utile. Ce qui rend le phosphore noir spécial, dit Atwater, c’est qu’il est aussi un semi-conducteur, un matériau qui conduit mieux l’électricité qu’un isolant, comme le verre, mais pas aussi bien qu’un métal comme le cuivre. Le silicium dans les puces électroniques est un exemple de semi-conducteur. Et tout comme de minuscules structures construites à partir de silicium peuvent contrôler le flux d’électricité dans une micropuce, les structures construites à partir de phosphore noir peuvent contrôler la polarisation de la lumière lorsqu’un signal électrique leur est appliqué.
“Ces minuscules structures effectuent cette conversion de polarisation”, explique Atwater, “donc maintenant je peux créer quelque chose de très fin et ajustable, et à l’échelle nanométrique. Je pourrais faire un tableau de ces petits éléments, dont chacun peut convertir la polarisation en un état de polarisation réfléchi différent.
La technologie d’affichage à cristaux liquides (LCD) que l’on trouve dans les écrans de téléphone et les téléviseurs possède déjà certaines de ces capacités, mais la technologie du phosphore noir a le potentiel de prendre une longueur d’avance. Les « pixels » d’une matrice de phosphore noir pourraient être 20 fois plus petits que ceux des écrans LCD, tout en répondant aux entrées un million de fois plus rapidement.
De telles vitesses ne sont pas nécessaires pour regarder un film ou lire un article en ligne, mais elles pourraient révolutionner les télécommunications, dit Atwater. Le câble à fibre optique à travers lequel les signaux lumineux sont envoyés dans les appareils de télécommunication ne peut transmettre qu’un nombre limité de signaux avant qu’ils ne commencent à interférer et à se submerger, les brouillant (image essayant d’entendre ce qu’un ami dit dans un bar bondé et bruyant) . Mais un appareil de télécommunications basé sur de fines couches de phosphore noir pourrait régler la polarisation de chaque signal afin qu’aucun n’interfère les uns avec les autres. Cela permettrait à un câble à fibre optique de transporter beaucoup plus de données qu’il ne le fait actuellement.
Atwater affirme que la technologie pourrait également ouvrir la porte à un remplacement basé sur la lumière pour le Wi-Fi, ce que les chercheurs dans le domaine appellent Li-Fi.
De plus en plus, nous allons nous pencher sur les communications par ondes lumineuses dans l’espace libre », dit-il. « Un éclairage comme cette lampe au look très cool au-dessus de mon bureau ne transmet aucun signal de communication. Il fournit juste de la lumière. Mais il n’y a aucune raison pour que vous ne puissiez pas vous asseoir dans un futur Starbucks et que votre ordinateur portable prenne un signal lumineux pour sa communication sans fil plutôt qu’un signal radio. Ce n’est pas encore tout à fait là, mais quand il arrivera ici, ce sera au moins cent fois plus rapide que le Wi-Fi.
L’article décrivant le travail est intitulé “Conversion de polarisation électro-optique à large bande avec du phosphore noir atomiquement mince”. L’auteur principal est Souvik Biswas, étudiant diplômé en physique appliquée. Les autres co-auteurs sont Meir Y. Grajower, chercheur associé postdoctoral en physique appliquée et science des matériaux, et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.
“Ce sont des moments passionnants pour la découverte de nouveaux matériaux qui peuvent façonner l’avenir des dispositifs photoniques, et nous avons à peine effleuré la surface”, a déclaré Biswas. “Ce serait gratifiant si un jour vous pouviez acheter un produit commercial construit à partir de matériaux aussi minces sur le plan atomique, et ce jour-là pourrait ne pas être très loin.”
Référence : « Broadband electro-optic polarization conversion with atomically thin black phosphorus » par Souvik Biswas, Meir Y. Grajower, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi et Harry A. Atwater, 22 octobre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abj7053
Le financement de la recherche a été fourni par le département américain de l’Énergie; le ministère japonais de l’Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie ; la Société japonaise pour la promotion de la science ; et l’Agence japonaise pour la science et la technologie.
