Le borophène dirige la lumière à l'échelle nanométrique
Une équipe de chercheurs de Kiel observe pour la première fois la propagation particulière de la lumière dans un métal de la taille d'un atome - avec un potentiel pour des composants optiques compacts
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Aujourd'hui, les microscopes électroniques l'étudient, demain, il pourrait lui-même faire partie des microscopes : un métal composé d'une seule couche d'atomes dirige la lumière de manière ciblée dans sa surface et la concentre dans un espace très restreint - même aux longueurs d'onde visibles. Une équipe de l'université Christian-Albrecht de Kiel (CAU) a démontré pour la première fois cet effet dans le borophène.
La réponse optique d'une couche de borophène est étudiée par spectroscopie de cathodoluminescence.
Y. Abdi
Image au microscope électronique à balayage du borophène sur une grille perforée de microscope électronique à transmission d'or.
N. Talebi
Ce métal bidimensionnel, connu depuis moins de dix ans, pourrait servir de plateforme pour de nouvelles interactions lumière-matière.
C'est ainsi que se forment les ondes lumineuses particulières.
La base de cet effet réside dans une interaction particulière entre la lumière et les électrons. Les ondes lumineuses se combinent dans le matériau avec des oscillations collectives d'électrons - les plasmons. Il en résulte une "onde hybride" de lumière et de matière. Dans le borophène, une forme particulière se manifeste : les polaritons hyperboliques. Elles se propagent à une vitesse et avec une intensité différentes selon la direction - un peu comme les voitures qui ont la voie libre dans le sens nord-sud, mais doivent rouler à 30 km/h dans le sens est-ouest.
La structure atomique du borophène contraint les électrons à suivre des trajectoires préférentielles. Cette directionnalité, appelée anisotropie, focalise la lumière de manière extrême et la contrôle en dessous de la limite de diffraction - plus finement que ce qui est normalement possible. C'est un avantage décisif lorsque les systèmes optiques doivent devenir de plus en plus petits et précis.
Pour démontrer cet effet, l'équipe de Kiel a excité le borophène dans un microscope électronique avec des faisceaux d'électrons et a analysé la lumière produite avec une précision nanométrique.
Le borophène rejoint un groupe de matériaux rares
Des polaritons hyperboliques ont déjà été observés dans des matériaux fonctionnant dans l'infrarouge ou le térahertz. Le borophène, en revanche, agit dans le domaine visible - et ouvre ainsi de nouvelles possibilités pour la nanophotonique.
"Le borophène est métallique, atomiquement mince et naturellement anisotrope", explique le professeur Nahid Talebi de l'Institut de physique expérimentale et appliquée de la CAU, qui a dirigé l'étude avec le professeur Yaser Abdi, scientifique invité. "Ces propriétés en font une toute nouvelle plate-forme pour guider la lumière visible à l'échelle nanométrique. Nous pouvons contrôler la propagation de la lumière de manières qui n'étaient pas possibles auparavant avec d'autres matériaux".
Ce travail pose les bases de technologies futures. Des composants photoniques particulièrement compacts, des capteurs optiques ultrasensibles ou des procédés de microscopie dépassant les limites classiques de résolution seraient possibles. Comme le borophène fonctionne dans le domaine visible, il s'adapte également aux longueurs d'onde de nombreux systèmes de communication quantiques.
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