Un nouveau matériau nano-architecturé présente une propriété qui n’était auparavant que théoriquement possible : il peut réfracter la lumière vers l’arrière, quel que soit l’angle sous lequel la lumière frappe le matériau.
Cette propriété est connue sous le nom de réfraction négative et signifie que l’indice de réfraction, c’est-à-dire la vitesse à laquelle la lumière peut traverser un matériau donné, est négatif dans une partie du spectre électromagnétique et sous tous les angles.
La réfraction est une propriété courante des matériaux ; pensez à la façon dont une paille dans un verre d’eau semble décalée sur le côté, ou à la façon dont les lentilles des lunettes concentrent la lumière. Mais la réfraction négative ne consiste pas seulement à déplacer la lumière de quelques degrés vers un côté. Au contraire, la lumière est envoyée dans un angle complètement opposé à celui dans lequel elle est entrée dans le matériau. Ce phénomène n’a pas été observé dans la nature mais, à partir des années 1960, on a supposé qu’il se produisait dans des matériaux dits artificiellement périodiques, c’est-à-dire des matériaux construits pour présenter un modèle structurel spécifique. Ce n’est que maintenant que les procédés de fabrication ont rattrapé la théorie pour faire de la réfraction négative une réalité.
Image de microscopie électronique à balayage (MEB) du réseau à l’échelle nanométrique. Crédit : Caltech
“La réfraction négative est cruciale pour l’avenir de la nanophotonique, qui cherche à comprendre et à manipuler le comportement de la lumière lorsqu’elle interagit avec des matériaux ou des structures solides à l’échelle la plus petite possible”, explique Julia R. Greer, titulaire de la chaire Ruben F. et Donna Mettler de science des matériaux, de mécanique et de génie médical à Caltech, et l’un des auteurs principaux d’un article décrivant le nouveau matériau. L’article a été publié dans la revue Nano Letters.
Le nouveau matériau obtient sa propriété inhabituelle en combinant une organisation à l’échelle nanométrique et microscopique et l’ajout d’un revêtement d’un mince film de germanium métallique par le biais d’un processus exigeant en temps et en main-d’œuvre. Greer est un pionnier dans la création de tels matériaux nano-architecturés, c’est-à-dire des matériaux dont la structure est conçue et organisée à l’échelle nanométrique et qui présentent par conséquent des propriétés inhabituelles, souvent surprenantes – par exemple, des céramiques exceptionnellement légères qui reprennent leur forme initiale, comme une éponge, après avoir été comprimées.
Sous un microscope électronique, la structure du nouveau matériau ressemble à un réseau de cubes creux. Chaque cube est si petit que la largeur des faisceaux qui composent la structure du cube est 100 fois plus petite que la largeur d’un cheveu humain. Le réseau a été construit à l’aide d’un matériau polymère, relativement facile à travailler en impression 3D, puis recouvert de germanium métallique.
“La combinaison de la structure et du revêtement confère au réseau cette propriété inhabituelle”, explique Ryan Ng (MS 16, PhD 20), auteur correspondant de l’étude. Nano Letters article. Ng a mené ces recherches alors qu’il était étudiant diplômé dans le laboratoire de Greer et il est maintenant chercheur postdoctoral à l’Institut catalan de nanoscience et de nanotechnologie en Espagne. L’équipe de recherche a trouvé la structure en réseau cubique et le matériau comme étant la bonne combinaison grâce à un processus de modélisation informatique minutieux (et au fait que le géranium est un matériau à indice élevé).
Pour que le polymère soit recouvert uniformément d’un métal à cette échelle, l’équipe de recherche a dû mettre au point une méthode entièrement nouvelle. Finalement, Ng, Greer et leurs collègues ont utilisé une technique de pulvérisation dans laquelle un disque de germanium était bombardé d’ions à haute énergie qui projetaient des atomes de germanium du disque vers la surface du réseau polymère. “Il n’est pas facile d’obtenir un revêtement uniforme”, explique M. Ng. “Il a fallu beaucoup de temps et d’efforts pour optimiser ce processus”.
Cette technologie a des applications potentielles pour les télécommunications, l’imagerie médicale, le camouflage radar et l’informatique.
Dans un 1965 observationGordon Moore (PhD ’54), ancien élève de Caltech et membre à vie du conseil d’administration de Caltech, a prédit que les circuits intégrés deviendraient deux fois plus compliqués et deux fois moins chers tous les deux ans. Toutefois, en raison des limites fondamentales de la dissipation d’énergie et de la densité des transistors permises par les semi-conducteurs actuels en silicium, l’échelonnement prévu par la loi de Moore devrait bientôt prendre fin. “Nous arrivons à la fin de notre capacité à suivre la loi de Moore, c’est-à-dire à fabriquer des transistors électroniques aussi petits que possible”, explique M. Ng. Les travaux actuels constituent une étape vers la démonstration des propriétés optiques qui seraient nécessaires pour permettre la réalisation de circuits photoniques tridimensionnels. Étant donné que la lumière se déplace beaucoup plus rapidement quedes électrons, les circuits photoniques 3D seraient, en théorie, beaucoup plus rapides que les circuits traditionnels.
Référence : “Dispersion Mapping in 3-Dimensional Core-Shell Photonic Crystal Lattices Capable of Negative Refraction in the Mid-Infrared” par Victoria F. Chernow, Ryan C. Ng, Siying Peng, Harry A. Atwater et Julia R. Greer, 21 octobre 2022, Nano Letters.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02851
Les coauteurs sont Harry Atwater, titulaire de la chaire Howard Hughes de physique appliquée et de science des matériaux et titulaire de la chaire Otis Booth Leadership de la division de l’ingénierie et des sciences appliquées, Victoria F. Chernow (PhD ’17) et Siying Peng (PhD ’17). Cette recherche a été financée par le Dow-Resnick Grant, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), et l’Office of Science du ministère américain de l’Énergie (DOE).
