Une métasurface constituée de nanofils de trisulfure d’arsenic (jaune) transmet une fréquence entrante dans le proche infrarouge (rouge) ainsi que sa troisième fréquence ultraviolette harmonique (violet), qui serait normalement absorbée par le matériau. Crédit : Université Duke
La physique nouvellement prouvée ouvre les verres de chalcogénure à des applications aux longueurs d’onde visibles et ultraviolettes.
Les ingénieurs électriciens de l’Université Duke ont découvert que la modification de la forme physique d’une classe de matériaux couramment utilisés en électronique et en photonique infrarouge proche et moyen (les verres chalcogénures) peut étendre leur utilisation aux parties visible et ultraviolette du spectre électromagnétique. Déjà utilisés commercialement dans les détecteurs, les lentilles et les fibres optiques, les verres au chalcogénure peuvent désormais trouver leur place dans des applications telles que les communications sous-marines, la surveillance environnementale et l’imagerie biologique.
Les résultats ont été publiés dans la revue Communication Nature.
Comme leur nom l’indique, les verres à chalcogénure contiennent un ou plusieurs chalcogènes, éléments chimiques tels que le soufre, le sélénium et le tellure. Mais il y a un membre de la famille qu’ils laissent de côté : l’oxygène. Leurs propriétés matérielles en font un choix judicieux pour les applications électroniques avancées telles que la commutation optique, l’écriture laser directe ultra-petite (pensez à de minuscules CD réinscriptibles) et les empreintes moléculaires. Mais parce qu’ils absorbent fortement les longueurs d’onde de la lumière dans les parties visible et ultraviolette du spectre électromagnétique, les verres de chalcogénure ont longtemps été limités au proche et moyen infrarouge en ce qui concerne leurs applications en photonique.
“Les chalcogénures sont utilisés dans le proche et le moyen IR depuis longtemps, mais ils ont toujours eu cette limitation fondamentale d’être à perte dans les longueurs d’onde visibles et UV”, a déclaré Natalia Litchinitser, professeur de génie électrique et informatique à Duke. “Mais des recherches récentes sur la façon dont les nanostructures affectent la façon dont ces matériaux réagissent à la lumière ont indiqué qu’il pourrait y avoir un moyen de contourner ces limitations.”
« Nous avons découvert que l’éclairage d’une métasurface constituée de nanofils judicieusement conçus avec une lumière proche infrarouge entraînait la génération et la transmission à la fois de la fréquence d’origine et de sa troisième harmonique, ce qui était très inattendu car la troisième harmonique se situe dans la plage où le matériau devrait être absorbant. ce.”
– Natalia litchinitser
Dans des recherches théoriques récentes sur les propriétés de l’arséniure de gallium (GaAs), un semi-conducteur couramment utilisé en électronique, les collaborateurs de Litchinitser, Michael Scalora de l’US Army CCDC Aviation and Missile Center et Maria Vincenti de l’Université de Brescia ont prédit que les GaAs nanostructurés pourraient réagissent à la lumière différemment de ses homologues en vrac ou même à couche mince. En raison de la façon dont les impulsions optiques de haute intensité interagissent avec le matériau nanostructuré, des fils très minces du matériau alignés les uns à côté des autres pourraient créer des fréquences harmoniques d’ordre supérieur (longueurs d’onde plus courtes) qui pourraient les traverser.
Imaginez une corde de guitare qui est réglée pour résonner à 256 Hertz, également connue sous le nom de do moyen. Les chercheurs proposaient que, si elle est fabriquée correctement, cette corde, lorsqu’elle est pincée, pourrait également vibrer à des fréquences d’une ou deux octaves plus élevées en petites quantités.
Litchinitser et son doctorant Jiannan Gao ont décidé de voir s’il en allait de même pour les verres au chalcogénure. Pour tester la théorie, des collègues du Naval Research Laboratory ont déposé un film mince de 300 nanomètres de trisulfure d’arsenic sur un substrat de verre qui a ensuite été nanostructuré par lithographie par faisceau d’électrons et gravure ionique réactive pour produire des nanofils de trisulfure d’arsenic de 430 nanomètres de large et 625 nanomètres une part.
Même si le trisulfure d’arsenic absorbe complètement la lumière au-dessus de 600 THz – à peu près la couleur du cyan – les chercheurs ont découvert que leurs nanofils transmettaient de minuscules signaux à 846 THz, ce qui se situe carrément dans le spectre ultraviolet.
« Nous avons découvert que l’éclairage d’une métasurface constituée de nanofils judicieusement conçus avec une lumière proche infrarouge entraînait la génération et la transmission à la fois de la fréquence d’origine et de sa troisième harmonique, ce qui était très inattendu car la troisième harmonique se situe dans la plage où le matériau devrait être absorbant. cela », a déclaré Litchinitser.
Ce résultat contre-intuitif est dû à l’effet de génération de troisième harmonique non linéaire et à son « verrouillage de phase » avec la fréquence d’origine. “L’impulsion initiale piège le troisième harmonique et incite en quelque sorte le matériau à les laisser passer tous les deux sans aucune absorption”, a déclaré Litchinitser.
À l’avenir, Litchinitser et ses collègues travaillent pour voir s’ils peuvent concevoir différentes formes de chalcogénures capables de transporter ces signaux harmoniques encore mieux que les nanobandes initiales. Par exemple, ils pensent que des paires de blocs longs et minces de type Lego espacés de certaines distances pourraient créer un signal plus fort aux fréquences des troisième et deuxième harmoniques. Ils prédisent également que l’empilement de plusieurs couches de ces métasurfaces les unes sur les autres pourrait améliorer l’effet.
En cas de succès, l’approche pourrait ouvrir une large gamme d’applications visibles et ultraviolettes pour les matériaux électroniques populaires et les matériaux photoniques dans l’infrarouge moyen qui ont longtemps été exclus de ces fréquences plus élevées.
Référence : « Near-Infrared to Ultra-Violet Frequency Conversion in Chalcogenide Metasurfaces » par Jiannan Gao, Maria Antonietta Vincenti, Jesse Frantz, Anthony Clabeau, Xingdu Qiao, Liang Feng, Michael Scalora et Natalia M. Litchinitser, 5 octobre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-26094-1
Ce travail a été soutenu par l’Office of Naval Research (N00014-19-1-2163, N00014-20-1-2558), l’Army Research Laboratory Cooperative Agreement (W911NF-20-2-0078) et la National Science Foundation (ECCS -1846766, OMA-1936276).
