Schéma de lévitation optique d’une nanoparticule avec un métal dans le vide. Les metalens concentrent un faisceau laser pour créer des pincettes optiques à base de puces. Crédit : Kunhong Shen, Université Purdue
La conception à base de Metalens réduit l’empreinte, rendant les pièges optiques pratiques pour la détection et les mesures de précision.
Les chercheurs ont créé de minuscules pincettes optiques à base de puces qui peuvent être utilisées pour faire léviter optiquement des nanoparticules dans le vide. Les pincettes optiques – qui utilisent un faisceau laser étroitement focalisé pour contenir des cellules vivantes, des nanoparticules et d’autres objets – peuvent être utilisées pour une variété de mesures de précision et d’applications de détection. Cependant, ces pièges optiques sont généralement réalisés avec des composants optiques volumineux.
“En utilisant un métal ultrafin, nous avons réduit le diamètre de la lentille de focalisation d’environ 25 mm à environ 0,4 mm”, a déclaré le chef de l’équipe de recherche Tongcang Li de l’Université Purdue. « La conception à base de puces peut être utilisée pour créer un système optique intégré et flexible pour étudier les forces proches de la surface en piégeant un objet à moins de 1 micromètre d’une surface. Cela pourrait également être utile pour piéger des atomes froids dans le vide afin d’étudier les processus quantiques. »
Les chercheurs ont utilisé un métalens pour créer des pincettes optiques à base de puces capables de faire léviter optiquement des nanoparticules dans le vide. Le diamètre des métalens était environ 50 fois plus petit que celui d’un objectif conventionnel qu’ils utilisaient auparavant. Une image optique des métaux est montrée. Crédit : Tongcang Li, Université Purdue
Dans OPTIQUE, le journal d’Optica Publishing Group pour la recherche à fort impact, des chercheurs de l’Université Purdue et de l’Université d’État de Pennsylvanie rapportent la première réalisation d’une lévitation optique sur puce dans le vide avec un métal ultrafin. Accomplir cet exploit dans le vide permet d’améliorer la sensibilité du système.
“Les particules en lévitation optique peuvent être utilisées pour créer des accéléromètres et des gyroscopes qui pourraient potentiellement être utilisés dans la navigation”, a déclaré Li. “Les scientifiques utilisent également des particules en lévitation optique pour rechercher de la matière noire et de l’énergie noire et pour étudier la gravité à de courtes distances, ce qui approfondira notre compréhension de la nature.”
Vers un piège portatif
Cette nouvelle recherche découle de travaux antérieurs dans lesquels les chercheurs ont utilisé la lévitation optique dans le vide pour créer le rotor le plus rapide fabriqué par l’homme et le détecteur de couple le plus sensible jamais signalé.
« Dans une prochaine étape, nous voulions rendre la technologie de lévitation optique plus pratique en minimisant suffisamment le système pour le rendre portable », a déclaré Li. “Nous avons commencé par réduire la taille de la lentille de focalisation en utilisant un métalens, un type de lentille plate qui utilise des nanostructures pour focaliser la lumière.”
Dans le nouveau travail, les chercheurs ont conçu un métal composé de milliers de nanopiliers de silicium. Le diamètre des métalens était environ 50 fois plus petit que celui de l’objectif conventionnel qu’ils utilisaient auparavant.
“D’autres groupes de recherche ont récemment démontré le piégeage optique à base de métalens dans les liquides”, a déclaré Kunhong Shen, le premier auteur de ce travail. “Bien que le piégeage optique sous vide aide à minimiser le bruit du liquide ou de l’air, il est également beaucoup plus difficile à faire.”
Les chercheurs ont montré qu’une nanoparticule en lévitation pouvait être transférée entre deux pièges optiques distincts. Crédit : Kunhong Shen, Université Purdue
Léviter avec une lentille plate
Pour tester leur nouvelle conception optique, les chercheurs ont guidé un faisceau laser intense sur les métaux pour générer des forces de piégeage. Ils ont ensuite pulvérisé une solution de nanoparticules diluée dans la zone de piégeage. Lorsqu’une nanoparticule est piégée, elle apparaît sous la forme d’un point lumineux qui peut être observé avec une caméra. Des détecteurs de photons ont mesuré le mouvement de la nanoparticule en temps réel.
Ils ont montré que les métalènes pouvaient faire léviter une nanoparticule dans le vide à une pression de 2×dix-4 Torr – environ 1/4 000 000 de pression atmosphérique – sans nécessiter de stabilisation par rétroaction. Ils ont également pu transférer une nanoparticule en lévitation entre deux pièges optiques distincts.
« Notre métalens est une couche de nanostructure d’une épaisseur de seulement 500 nm et d’une grande ouverture numérique d’environ 0,9. Il offre des performances similaires à celles d’un objectif volumineux conventionnel », a déclaré le chef de l’équipe de recherche Xingjie Ni de la Pennsylvania State University. « Le metalens est entièrement compatible avec le vide. Et plus intéressant encore, nous pouvons le concevoir de manière flexible pour exécuter des fonctions supplémentaires, par exemple, filtrer les composants à basse fréquence spatiale de la lumière de focalisation, ce qui s’est avéré bénéfique pour la lévitation optique des nanoparticules.
Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer les minuscules dispositifs de lévitation en augmentant l’efficacité de transmission et de focalisation des métaux. Ils veulent également réduire encore le diamètre des métaux pour rendre la lévitation optique plus pratique pour les applications du monde réel.
Référence : « Lévitation optique sur puce avec un métal dans le vide » par Kunhong Shen, Yao Duan, Peng Ju, Zhujing Xu, XI CHEN, Lidan Zhang, Jonghoon Ahn, Xingjie Ni et Tongcang Li, 21 octobre 2021, OPTIQUE.
DOI : 10.1364 / OPTICA.438410
