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 physiciens de l’Université de Southampton et de l’ETH Zürich ont atteint un nouveau seuil de couplage lumière-matière à l’échelle nanométrique.
La recherche internationale, publiée récemment dans Photonique de la nature, ont combiné des résultats théoriques et expérimentaux pour établir une limitation fondamentale de notre capacité à confiner et à exploiter la lumière.
La collaboration s’est concentrée sur des nano-antennes photoniques fabriquées dans des tailles de plus en plus réduites au sommet d’un gaz d’électrons bidimensionnel. La configuration est couramment utilisée dans les laboratoires du monde entier pour explorer l’effet d’un couplage électromagnétique intense, en tirant parti de la capacité des antennes à piéger et à focaliser la lumière à proximité des électrons.
Le professeur Simone De Liberato, directeur du groupe Théorie et technologie quantiques à l’Université de Southampton, déclare : « La fabrication de résonateurs photoniques capables de focaliser la lumière dans des volumes extrêmement petits s’avère une technologie clé qui permet actuellement des avancées dans des domaines science des matériaux, optoélectronique, chimie, technologies quantiques et bien d’autres.
« En particulier, la lumière focalisée peut être amenée à interagir extrêmement fortement avec la matière, rendant l’électromagnétisme non perturbateur. La lumière peut alors être utilisée pour modifier les propriétés des matériaux avec lesquels elle interagit, devenant ainsi un outil puissant pour la science des matériaux. La lumière peut être efficacement tissée dans de nouveaux matériaux.
Les scientifiques ont découvert que la lumière ne pouvait plus être confinée dans le système en dessous d’une dimension critique, de l’ordre de 250 nm dans l’échantillon à l’étude, lorsque l’expérience a commencé à exciter la propagation des plasmons. Cela a provoqué l’éloignement des vagues d’électrons du résonateur et le déversement de l’énergie du photon.
Les expériences réalisées dans le groupe des professeurs Jérôme Faist et Giacomo Scalari à l’ETH Zürich avaient obtenu des résultats qui ne pouvaient pas être interprétés avec une compréhension de pointe du couplage lumière-matière. Les physiciens ont approché l’École de physique et d’astronomie de Southampton, où les chercheurs ont mené une analyse théorique et construit une nouvelle théorie capable de reproduire quantitativement les résultats.
Le professeur De Liberato pense que les nouvelles limites pourraient encore être dépassées par de futures expériences, débloquant des avancées technologiques spectaculaires qui reposent sur des champs électromagnétiques ultra-confinés.
Lisez Exploration des limites quantitatives du couplage lumière-matière à l’échelle nanométrique pour en savoir plus sur cette recherche.
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
