Un laser plasmonique est activé (en haut) et désactivé (en bas) en commutant l’aimantation d’un réseau de nanopoints. Les encarts agrandis montrent le champ magnétique autour d’un seul nanopoint. Crédit : Université Aalto
Le contrôle des nanolasers avec des aimants jette les bases d’une signalisation optique plus robuste.
Un champ magnétique peut être utilisé pour allumer et éteindre les nanolasers, montre une nouvelle recherche de l’Université Aalto. La physique sous-jacente à cette découverte ouvre la voie au développement de signaux optiques qui ne peuvent pas être perturbés par des perturbations externes, conduisant à une robustesse sans précédent dans le traitement du signal.
Les lasers concentrent la lumière dans des faisceaux extrêmement brillants qui sont utiles dans une variété de domaines, tels que les dispositifs de communication à large bande et de diagnostic médical. Il y a une dizaine d’années, des lasers extrêmement petits et rapides appelés nanolasers plasmoniques ont été développés. Ces nanolasers sont potentiellement plus économes en énergie que les lasers traditionnels, et ils ont été d’un grand avantage dans de nombreux domaines, par exemple, les nanolasers ont augmenté la sensibilité des biocapteurs utilisés dans les diagnostics médicaux.
Jusqu’à présent, l’activation et la désactivation des nanolasers nécessitaient de les manipuler directement, soit mécaniquement, soit à l’aide de chaleur ou de lumière. Maintenant, les chercheurs ont trouvé un moyen de contrôler à distance les nanolasers.
« La nouveauté ici est que nous sommes capables de contrôler le signal laser avec un champ magnétique externe. En modifiant le champ magnétique autour de nos nanostructures magnétiques, nous pouvons activer et désactiver le laser », explique le professeur Sebastiaan van Dijken de l’Université d’Aalto.
L’équipe y est parvenue en fabriquant des nanolasers plasmoniques à partir de matériaux différents de la normale. Au lieu des métaux nobles habituels, tels que l’or ou l’argent, ils ont utilisé des nanopoints magnétiques de cobalt-platine modelés sur une couche continue d’or et de dioxyde de silicium isolant. Leur analyse a montré que le matériau et l’arrangement des nanopoints dans des réseaux périodiques étaient nécessaires pour l’effet.
La photonique progresse vers un traitement du signal extrêmement robuste
Le nouveau mécanisme de contrôle peut s’avérer utile dans une gamme de dispositifs qui utilisent des signaux optiques, mais ses implications pour le domaine émergent de la photonique topologique sont encore plus passionnantes. La photonique topologique vise à produire des signaux lumineux qui ne soient pas perturbés par des perturbations extérieures. Cela aurait des applications dans de nombreux domaines en fournissant un traitement de signal très robuste.
« L’idée est que vous pouvez créer des modes optiques spécifiques qui sont topologiques, qui ont certaines caractéristiques qui permettent de les transporter et de les protéger contre toute perturbation », explique van Dijken. “Cela signifie que s’il y a des défauts dans l’appareil ou parce que le matériau est rugueux, la lumière peut simplement les passer sans être dérangée, car il est topologiquement protégé.”
Jusqu’à présent, la création de signaux optiques protégés topologiquement à l’aide de matériaux magnétiques nécessitait des champs magnétiques puissants. La nouvelle recherche montre que l’effet du magnétisme dans ce contexte peut être amplifié de manière inattendue à l’aide d’un réseau de nanoparticules d’une symétrie particulière. Les chercheurs pensent que leurs découvertes pourraient ouvrir la voie à de nouveaux signaux à l’échelle nanométrique et topologiquement protégés.
« Normalement, les matériaux magnétiques peuvent provoquer un changement très mineur dans l’absorption et la polarisation de la lumière. Dans ces expériences, nous avons produit des changements très importants dans la réponse optique, jusqu’à 20 %. Cela n’a jamais été vu auparavant », déclare van Dijken.
Le professeur de l’Académie Päivi Törmä ajoute que « ces résultats présentent un grand potentiel pour la réalisation de structures photoniques topologiques dans lesquelles les effets d’aimantation sont amplifiés par un choix approprié de la géométrie du réseau de nanoparticules ».
Ces découvertes sont le résultat d’une collaboration de longue date entre le groupe Nanomagnétisme et spintronique dirigé par le professeur van Dijken et le groupe Quantum Dynamics dirigé par le professeur Törmä, tous deux du département de physique appliquée de l’université Aalto.
Référence : “Magnetic on-off switch of a plasmonic laser” par Francisco Freire-Fernández, Javier Cuerda, Konstantinos S. Daskalakis, Sreekanth Perumbilavil, Jani-Petri Martikainen, Kristian Arjas, Päivi Törmä et Sebastiaan van Dijken, 23 décembre 2021, Photonique de la nature.
DOI : 10.1038 / s41566-021-00922-8
