Métasurface de résonateurs à anneau fendu, partiellement recouverte de cartes de couleurs 3D montrant la distribution simulée du champ électrique. Les magnétoplasmons à impulsion élevée conduisent à la rupture des polaritons (sphères bleues avec des énergies photoniques en rouge). Crédit : Urban Senica, ETH Zurich
Des travaux théoriques et expérimentaux combinés fournissent des limites quantitatives générales au couplage lumière-matière dans les dispositifs nanophotoniques.
L’interaction entre la lumière et la matière englobe un spectre étonnant de phénomènes, de la photosynthèse aux couleurs captivantes des arcs-en-ciel et des ailes de papillon. Aussi diverses que puissent être ces manifestations, elles impliquent un très faible couplage lumière-matière – en substance, la lumière interagit avec le système matériel mais ne modifie pas ses propriétés de base. Cependant, un ensemble de phénomènes distinctement différent apparaît pour les systèmes qui sont artificiellement conçus pour maximiser le couplage lumière-matière. Des états quantiques intrigants peuvent alors émerger qui ne sont ni lumière ni matière, mais un hybride des deux. De tels états sont d’un grand intérêt d’un point de vue fondamental ainsi que pour créer de nouvelles fonctionnalités, par exemple pour permettre des interactions entre photons. Les couplages les plus forts à ce jour ont été réalisés avec des matériaux semi-conducteurs confinés dans de minuscules cavités photoniques. Dans ces dispositifs, le couplage est typiquement augmenté en rendant la cavité de plus en plus petite. Mais même si les défis de fabrication associés peuvent être relevés, l’approche est sur le point de rencontrer des limites physiques fondamentales, comme le rapporte une équipe dirigée par les professeurs Giacomo Scalari et Jérôme Faist du département de physique de l’ETH Zurich dans un article publié le 9 août 2021, dans Photonique de la nature. Avec ce travail, ils ont fixé des limites quantitatives à la miniaturisation de tels dispositifs nanophotoniques.
De mieux en mieux …
Au cours des quatre dernières décennies, diverses plates-formes ont été développées pour réaliser un couplage fort entre la lumière et la matière. Parmi eux, l’un d’entre eux, lancé expérimentalement par Scalari dans le groupe Faist, se distingue en ce qu’il fournit presque continuellement depuis 2011 l’un des couplages lumière-matière les plus puissants réalisés sur toutes les plates-formes. Il est important de noter qu’au cours de l’établissement de nouveaux records, ils ont atteint le régime « ultra fort », où le couplage lumière-matière est comparable aux énergies pertinentes du système de matière découplée, donnant accès à une multitude de nouveaux phénomènes.
Au cœur de leur plate-forme record se trouvent des résonateurs métalliques à anneau fendu (voir la figure), dans lesquels les champs électromagnétiques peuvent être localisés dans des volumes extrêmement petits, bien en dessous de la longueur d’onde de la lumière – généralement un rayonnement térahertz (THz). – impliqué. Les lacunes micrométriques de ces résonateurs sont chargées de puits quantiques semi-conducteurs possédant des propriétés électroniques appropriées, pour servir de système de matière. Une voie naturelle pour augmenter le couplage entre les excitations dans les puits quantiques et la lumière confinée dans le résonateur est alors de diminuer la largeur du gap (ré sur la figure). Mais à quel point un couplage peut être conçu de cette manière reste une question ouverte.
… mais dans des limites
Shima Rajabali, doctorante dans le groupe de Scalari et Faist, grâce aux puits quantiques cultivés par leur scientifique principal Mattias Beck et à une étude théorique de Simone De Liberato et Erika Cortese à l’Université de Southampton (Royaume-Uni), maintenant explorée théoriquement et expérimentalement s’il existe une limite physique fondamentale au confinement des sous-longueurs d’onde dans de tels systèmes. L’équipe a découvert qu’en effet il y a : Si le champ électromagnétique est concentré dans des volumes de plus en plus petits, alors à un moment donné, la nature même des états hybrides lumière-matière (dans leur cas, ils sont connus sous le nom de polaritons) commence à changer. Ce changement fondamental des caractéristiques polaritoniques, à son tour, empêche une augmentation supplémentaire de la force de couplage.
Cette limitation n’est pas un scénario lointain. Dans les dispositifs nanophotoniques de pointe, des signatures de ce changement de paradigme ont déjà été rencontrées. Juste qu’il n’y a pas eu de compréhension ferme des raisons sous-jacentes. Cette lacune est maintenant comblée par Rajabali et al. En outre, leur cadre nouvellement développé pourrait s’appliquer non seulement aux dispositifs spécifiques qu’ils ont étudiés, mais également à d’autres systèmes nano-optiques, par exemple ceux basés sur graphène ou les dichalcogénures de métaux de transition (TMD), et pour les géométries de résonateurs autres que les résonateurs à anneaux fendus. En tant que tel, les nouveaux travaux devraient fournir des limites quantitatives générales au couplage lumière-matière.
Devenir non local
Afin d’explorer les limites de l’augmentation du couplage lumière-matière en diminuant le volume de sous-longueur d’onde dans lequel la lumière est confinée, l’équipe a développé un cadre théorique dont ils ont testé les prédictions expérimentalement et dans des simulations informatiques. Une conclusion clé a été qu’aux plus petites échelles de longueur considérées – ils ont examiné des dispositifs avec des écarts allant jusqu’à 250 nanomètres de large – des effets non locaux sont apparus. Ceux-ci sont dus au fait qu’en dessous d’une échelle de longueur critique, comme une grande quantité de mouvement dans le plan est fournie pour les porteurs, le champ lumineux étroitement confiné dans le résonateur se couple non seulement aux états électroniques liés du puits quantique, mais à un continuum de excitations de grande impulsion provenant d’une dispersion de plasmons bidimensionnelle connue dans le puits quantique. Cela ouvre de nouveaux canaux de perte, modifiant finalement de manière fondamentale la façon dont la lumière et la matière interagissent dans ces dispositifs nanophotoniques.
Rajabali et ses collègues montrent que cette transformation en un régime régi par la non-localité polaritonique donne lieu à des phénomènes qui ne peuvent pas être reproduits par les théories quantiques classiques et linéaires normalement utilisées pour modéliser l’interaction entre la lumière et la matière. En d’autres termes : nous pouvons être assurés qu’il reste beaucoup à explorer dans l’arène fascinante de l’interaction lumière-matière.
Référence : « Polaritonic nonlocality in light – matter interaction » par Shima Rajabali, Erika Cortese, Mattias Beck, Simone De Liberato, Jérôme Faist et Giacomo Scalari, 9 août 2021, Photonique de la nature.
DOI : 10.1038 / s41566-021-00854-3
