Une équipe de scientifiques de l’Université du Witwatersrand, de l’Université de Harvard et de l’Université nationale de Singapour a mis au point un nouveau laser à métasurface qui produit efficacement tout état chiral de la lumière, avec un contrôle total des deux composantes du moment angulaire de la lumière : le spin (polarisation) et le moment angulaire orbital.
Le laser à métasurface produit une lumière super-chirale avec un moment angulaire orbital allant jusqu’à 100. Crédit image : Université de Witwatersrand.
La chiralité est un terme souvent utilisé en chimie pour décrire des composés qui se trouvent être des images miroir les uns des autres. Ces composés ont une chiralité et peuvent être considérés comme des gauchers ou des droitiers.
La lumière est également chirale, mais elle a deux formes : le spin et le moment angulaire orbital. Le moment angulaire de spin est similaire aux planètes qui tournent autour de leur propre axe, tandis que le moment angulaire orbital est similaire aux planètes en orbite autour du Soleil.
“Le contrôle de la chiralité de la lumière à la source est une tâche difficile et très actuelle en raison des nombreuses applications qui l’exigent, du contrôle optique de la matière chirale à la métrologie en passant par les communications”, a déclaré le professeur Andrew Forbes, chercheur à l’école de physique de l’université de Witwatersrand.
“Le contrôle chiral complet implique le contrôle de tout le moment angulaire de la lumière, la polarisation et le moment angulaire orbital.”
En raison des restrictions de conception et des obstacles à la mise en œuvre, seul un très petit sous-ensemble d’états chiraux a été produit à ce jour.
Des systèmes ingénieux ont été conçus pour contrôler l’hélicité (la combinaison du spin et du mouvement linéaire) des faisceaux de moment angulaire orbital, mais ils restent eux aussi limités à cet ensemble symétrique de modes. Jusqu’à présent, il n’était pas possible d’écrire un état chiral souhaité de la lumière et de le faire produire par un laser.
Le professeur Forbes et ses collègues ont utilisé une métasurface de taille nanométrique dans leur nouveau laser.
La métasurface est composée de nombreux petits bâtonnets de nanomatériaux, qui modifient la lumière lorsqu’elle passe à travers. La lumière traverse la métasurface de nombreuses fois, recevant une nouvelle torsion à chaque fois.
“Ce qui le rend spécial, c’est que pour la lumière, le matériau a des propriétés impossibles à trouver dans la nature, et est donc appelé un métamatériau – un matériau imaginaire. Comme les structures étaient si petites, elles n’apparaissent qu’en surface pour former une métasurface”, a déclaré le professeur Forbes.
Le laser de l’équipe a utilisé une métasurface pour conférer à la lumière un moment angulaire très élevé, lui donnant une torsion sans précédent dans sa phase tout en contrôlant la polarisation.
En contrôlant arbitrairement le moment angulaire, la symétrie standard spin-orbite a pu être brisée, pour le premier laser à produire un contrôle total du moment angulaire de la lumière à la source.
Le laser peut produire de la lumière sur des états de moment angulaire orbital de 10 et 100 simultanément pour le moment angulaire le plus élevé rapporté par un laser à ce jour.
Dans le cas particulier où la métasurface est réglée pour produire des états symétriques, le laser produit alors tous les états antérieurs de moment angulaire orbital rapportés par des lasers à lumière structurée personnalisés.
“Il y a actuellement une forte volonté d’essayer de contrôler la matière chirale avec de la lumière torsadée, et pour que cela fonctionne, il faut de la lumière avec une torsion très élevée : de la lumière super-chirale”, a déclaré le professeur Forbes.
“Nous pouvons utiliser ce type de lumière pour actionner optiquement des engrenages là où les systèmes mécaniques physiques ne fonctionneraient pas, comme dans les systèmes microfluidiques pour actionner le flux.”
“En utilisant cet exemple, le but est de faire de la médecine sur une puce plutôt que dans un grand laboratoire, et est populairement appelé laboratoire sur puce. Comme tout est petit, la lumière est utilisée pour le contrôle : pour déplacer les choses et les trier, comme les bonnes et les mauvaises cellules. La lumière torsadée est utilisée pour actionner des micro-mécanismes afin de faire fonctionner le flux, et pour imiter les centrifugeuses avec la lumière.”
Le nouveau laser est décrit dans un article du journal Nature Photonics.
