Des lentilles ultrafines qui rendent la lumière infrarouge visible
Les chercheurs sont parvenus à ce résultat en utilisant un matériau spécial de lentille en oxyde de métal appelé niobate de lithium et en utilisant des motifs à l'échelle nanométrique, estampés dans le matériau
Des physiciens de l'ETH Zurich ont mis au point une lentille aux propriétés magiques. Ultra-mince, elle peut transformer la lumière infrarouge en lumière visible en divisant par deux la longueur d'onde de la lumière incidente.
Les lentilles sont les dispositifs optiques les plus utilisés. Les objectifs d'appareils photo, par exemple, produisent une photo ou une vidéo nette en dirigeant la lumière vers un point focal. La rapidité de l'évolution dans le domaine de l'optique au cours des dernières décennies est illustrée par la transformation des appareils photo conventionnels encombrants en appareils photo compacts pour smartphone d'aujourd'hui.
Même les appareils photo de smartphones très performants nécessitent encore une pile d'objectifs qui représentent souvent la partie la plus épaisse du téléphone. Cette contrainte de taille est une caractéristique inhérente à la conception classique des objectifs : une lentille épaisse est essentielle pour courber la lumière afin de capturer une image nette sur le capteur de l'appareil photo.
Les progrès considérables réalisés dans le domaine de l'optique au cours des dix dernières années ont permis de surmonter cette limitation et d'apporter une solution sous la forme de lentilles métalliques. Elles sont plates, fonctionnent de la même manière que des lentilles normales et sont non seulement 40 fois plus fines qu'un cheveu humain moyen, mais aussi plus légères, car elles n'ont pas besoin d'être fabriquées en verre.
Une métasurface spéciale composée de structures d'à peine cent nanomètres de largeur et de hauteur (un nanomètre est un milliardième de mètre) modifie la direction de la lumière. Grâce à ces nanostructures, les chercheurs peuvent réduire radicalement la taille d'une lentille et la rendre plus compacte.
Combinées à des matériaux spéciaux, ces nanostructures peuvent être utilisées pour explorer d'autres propriétés inhabituelles de la lumière. Un exemple est l'optique non linéaire, où la lumière est convertie d'une couleur à une autre. Un stylo laser vert fonctionne selon ce principe : la lumière infrarouge traverse un matériau cristallin de haute qualité et génère une lumière d'une longueur d'onde deux fois moindre, en l'occurrence la lumière verte. Le niobate de lithium est un matériau bien connu qui produit de tels effets. Il est utilisé dans l'industrie des télécommunications pour créer des composants qui relient l'électronique aux fibres optiques.
Rachel Grange, professeur à l'Institut d'électronique quantique de l'ETH Zurich, mène des recherches sur la fabrication de nanostructures avec de tels matériaux. Avec son équipe, elle a mis au point un nouveau procédé qui permet d'utiliser le niobate de lithium pour créer des métalenses. L'étude a récemment été publiée dans la revue Advanced Materials.
Pour sa nouvelle méthode, la physicienne associe la synthèse chimique à la nano-ingénierie de précision. "La solution contenant les précurseurs des cristaux de niobate de lithium peut être estampillée alors qu'elle est encore à l'état liquide. Cela fonctionne de la même manière que la presse à imprimer de Gutenberg", explique le coauteur Ülle-Linda Talts, étudiante en doctorat travaillant avec Rachel Grange. Une fois que le matériau est chauffé à 600 °C, il acquiert des propriétés cristallines qui permettent la conversion de la lumière, comme dans le cas du stylo laser vert.
Le procédé présente plusieurs avantages. La production de nanostructures en niobate de lithium est difficile par les méthodes conventionnelles car ce matériau est exceptionnellement stable et dur. Selon les chercheurs, cette technique est adaptée à la production de masse, car un moule inversé peut être utilisé plusieurs fois, ce qui permet d'imprimer autant de métalenses que nécessaire. Elle est également beaucoup plus rentable et plus rapide à fabriquer que d'autres dispositifs optiques miniaturisés en niobate de lithium.
Des lentilles ultrafines qui génèrent une nouvelle lumière
En utilisant cette technique, les chercheurs de l'ETH dans le groupe de Grange ont réussi à créer les premières lentilles métalliques en niobate de lithium avec des nanostructures conçues avec précision. Tout en fonctionnant comme des lentilles normales de focalisation de la lumière, ces dispositifs peuvent simultanément modifier la longueur d'onde de la lumière laser. Lorsque la lumière infrarouge d'une longueur d'onde de 800 nanomètres est envoyée à travers le métalens, un rayonnement visible d'une longueur d'onde de 400 nanomètres émerge de l'autre côté et est dirigé vers un point désigné.
Cette magie de la conversion de la lumière, comme l'appelle Rachel Grange, n'est possible que grâce à la structure spéciale du métalens ultra-mince et à sa composition en un matériau qui permet l'apparition de ce que l'on appelle l'effet optique non linéaire. Cet effet n'est pas limité à une longueur d'onde laser définie, ce qui rend le processus très polyvalent dans un large éventail d'applications.
Des billets de banque à l'épreuve de la contrefaçon aux outils de microscopie de la prochaine génération
Les métalenses et les nanostructures similaires générant des hologrammes pourraient être utilisés comme éléments de sécurité pour rendre les billets de banque et les titres infalsifiables et pour garantir l'authenticité des œuvres d'art. Leurs structures exactes sont trop petites pour être visibles à la lumière visible, tandis que leurs propriétés matérielles non linéaires permettent une authentification très fiable.
Les chercheurs peuvent également utiliser de simples détecteurs de caméra pour convertir et orienter l'émission de lumière laser afin de rendre visible la lumière infrarouge, par exemple dans les capteurs. Ils peuvent aussi réduire l'équipement nécessaire à l'application de la lumière UV profonde dans la fabrication d'électronique de pointe.
Le domaine de ces éléments optiques ultraminces - connus sous le nom de métasurfaces - est une branche relativement jeune de la recherche à l'interface entre la physique, la science des matériaux et la chimie. "Nous n'avons fait qu'effleurer la surface jusqu'à présent et nous sommes très impatients de voir l'impact que ce type de nouvelle technologie rentable aura à l'avenir", souligne M. Grange.
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