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Gros plan sur la nouvelle métasurface du MIT, ou dispositif optique plat composé de quelque 100 000 structures nanométriques, intégré sur une puce de silicium et pouvant être activé électriquement. Crédit: Photo avec l’aimable autorisation de Yifei Zhang
Énorme gamme potentielle d’applications.
AVEC ingénieurs et collègues signalent de nouvelles avancées importantes sur une métasurface accordable, ou un dispositif optique plat à motifs de structures nanométriques, qu’ils comparent à un couteau suisse tandis que son prédécesseur passif peut être considéré comme un seul outil, comme un tournevis à lame plate. La clé du travail est un matériau transparent découvert par l’équipe qui modifie rapidement et de manière réversible sa structure atomique en réponse à la chaleur.
« Les applications ouvertes par la possibilité de reconfigurer rapidement les métasurfaces sont énormes », déclare Yifei Zhang, premier auteur d’un article sur les dernières avancées dans un récent numéro de Nature Nanotechnologie. Zhang est un étudiant diplômé du Département de science et génie des matériaux (DMSE). « Nous sommes ravis car les travaux en cours surmontent plusieurs obstacles pour mettre en œuvre ces métasurfaces dans des applications du monde réel. »
Selon le professeur agrégé Arka Majumdar du Université de Washington, Seattle, de ces applications : « J’envisage [that] cette technologie pourrait révolutionner les réseaux de neurones optiques, la détection de profondeur et la technologie Lidar pour les voitures autonomes. Majumdar n’a pas été impliqué dans la recherche.
Interrupteur électrique
Dans le Nature Nanotechnologie papier, les chercheurs du MIT décrivent l’utilisation de courants électriques pour modifier de manière réversible la structure matérielle – et donc les propriétés optiques – de la nouvelle métasurface. Dans le passé, ils utilisaient des lasers encombrants ou un four pour fournir la chaleur nécessaire. “C’est important car nous pouvons désormais intégrer l’ensemble du dispositif optique actif, ainsi que le commutateur électrique, sur une puce de silicium pour former une plate-forme optique miniaturisée”, explique Juejun Hu, responsable des travaux et professeur agrégé de science et ingénierie des matériaux. en DMSE.
L’étudiant diplômé du MIT, Yifei Zhang, détient la nouvelle métasurface, ou dispositif optique plat à motifs de quelque 100 000 structures nanométriques, intégré sur une puce de silicium et pouvant être activé électriquement. Crédit: Photo avec l’aimable autorisation de Yifei Zhang
L’équipe rapporte également la démonstration “d’une série de fonctions optiques accordables à l’aide de la plate-forme”, a déclaré Hu. Il s’agit notamment d’un dispositif de guidage du faisceau où « en commutant le matériau sur différents [internal] structures, nous pouvons envoyer de la lumière dans une direction par rapport à une autre, dans les deux sens. La direction par faisceau est la clé des voitures autonomes, bien que Hu souligne que le dispositif que lui et ses collègues ont démontré est encore assez rudimentaire. « C’est plus une preuve de principe.
Outre Zhang et Hu, les auteurs du nouvel article sont Junhao Liang, Bilal Azhar, Mikhail Y. Shalaginov, Skylar Deckoff-Jones, Carlos Rios et Tian Gu, tous du MIT DMSE ; Clayton Fowler, Sensong An et Hualiang Zhang de l’Université du Massachusetts, Lowell ; Jeffrey B. Chou, Christopher M. Roberts et Vladimir Liberman du MIT Lincoln Laboratory ; Myungkoo Kang et Kathleen A. Richardson de l’Université de Floride centrale, et Clara Rivero-Baleine de Lockheed Martin Corporation. Hu et Gu sont également affiliés au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.
Un nouveau matériau
Les matériaux à changement de phase (PCM) changent de structure en réponse à la chaleur. Ils sont utilisés commercialement dans les CD et DVD réinscriptibles. Explique Hu, “un faisceau laser modifie la structure du matériau localement, d’amorphe à cristallin, et ce changement peut être utilisé pour coder des uns et des zéros – des informations numériques”.
Cependant, les PCM conventionnels ont des limites en ce qui concerne les applications optiques. D’une part, ils sont opaques. Ils ne laisseront pas passer la lumière. “Cela nous a motivés à rechercher un nouveau matériau à changement de phase pour les dispositifs optiques qui soit transparent”, a déclaré Hu. Plus tôt cette année, son équipe a signalé que l’ajout d’un autre élément, le sélénium, à un PCM conventionnel avait fait l’affaire.
Le nouveau matériau, composé de germanium, de sélénium, d’antimoine et de tellure (GSST), est la clé de la nouvelle métasurface. La métasurface, à son tour, n’est pas seulement un film mince de GSST, c’est un film de GSST d’environ un demi-millimètre carré à motifs de quelque 100 000 structures à l’échelle nanométrique. Et ceux-ci, à leur tour, « vous permettent de contrôler la propagation de la lumière. Ainsi, vous pouvez transformer une collection de ces nanostructures en, par exemple, une lentille », explique Hu.
Harish Bhaskaran est professeur à la Université d’Oxford qui n’a pas participé à la recherche. Il a commenté le travail dans son ensemble et les avancées rapportées dans le nouveau document :
« C’est un domaine de travail très important car de telles métasurfaces accordables, c’est-à-dire des surfaces qui peuvent moduler la réflexion de la lumière même si elles sont nominalement « plates » ou très minces, sont extrêmement intéressantes. Ils peuvent réduire considérablement le volume des lentilles, qui sont bien sûr utilisées dans tout ce qui manipule la lumière. [MIT’s] l’utilisation de matériaux à changement de phase à faible perte (c’est-à-dire qu’ils absorbent très peu de lumière) constitue une véritable voie pour en faire une réalité. Les auteurs sont également parmi les premiers à montrer le réglage dynamique à l’aide de radiateurs contrôlés électriquement. (Dans le même numéro de Nature Nanotechnologie une équipe de Stanford rapporte également le contrôle des métasurfaces avec un chauffage électrique en utilisant une approche différente.)
Selon un Article Actualités et opinions dans le même numéro de Nature Nanotechnologie à propos des avancées du MIT et de Stanford, “ces travaux font une percée dans les métasurfaces accordables basées sur PCM”. Cependant, les auteurs de News & Views soulignent que les deux approches présentent des inconvénients.
L’équipe Hu s’attaque à certains de ces inconvénients. Par exemple, le radiateur utilisé dans leur plate-forme d’optique miniaturisée est actuellement en métal. Mais “les métaux sont problématiques pour l’optique, car ils absorbent la lumière”, explique Hu. « Nous travaillons sur un nouveau radiateur en silicium transparent. »
Hu décrit le travail dans son ensemble comme particulièrement passionnant car il a commencé par la découverte d’un nouveau matériau que l’équipe a ensuite conçu pour une nouvelle application. « Cela va de l’innovation des matériaux à l’intégration d’appareils, ce qui, à mon avis, est assez unique. »
Référence : « Métasurface non volatile reconfigurable électriquement utilisant un matériau à changement de phase optique à faible perte » par Yifei Zhang, Clayton Fowler, Junhao Liang, Bilal Azhar, Mikhail Y. Shalaginov, Skylar Deckoff-Jones, Sensong An, Jeffrey B. Chou, Christopher M. Roberts, Vladimir Liberman, Myungkoo Kang, Carlos Ríos, Kathleen A. Richardson, Clara Rivero-Baleine, Tian Gu, Hualiang Zhang et Juejun Hu, 19 avril 2021, Nature Nanotechnologie.
DOI : 10.1038 / s41565-021-00881-9
Le travail a été soutenu par l’Agence américaine des projets de recherche avancée pour la défense et l’US Air Force. Les chercheurs reconnaissent également l’utilisation des installations fournies par le MIT Materials Research Laboratory, les MIT Microsystems Technology Laboratories et le Harvard University Center for Nanoscale Systems.
