Les antennes nano optiques pourraient avoir un impact important

L'antenne, une technologie centenaire, est partout. Écouter la radio? Passer un appel sur votre portable ? Surfer sur le Web en Wi-Fi ? L'antenne a rendu tout cela possible.

Petites antennes : Cette image montre une lentille plate en méta-matériau. L'image conceptuelle de droite montre comment une telle lentille, constituée d'antennes nanométriques, focalise la lumière ; l'image composite sur la gauche montre une photographie d'une telle lentille et le retard de phase appliqué à l'onde à divers emplacements spatiaux (la moitié multicolore).

Maintenant, l'antenne change aussi d'optique.

À Federico Capasso du laboratoire de l'Université Harvard, des chercheurs ont mis au point une nouvelle façon de manipuler la lumière à l'aide d'antennes optiques à l'échelle nanométrique. Ils prennent effectivement une antenne radio, la plient en V et la rétrécissent d'un facteur d'environ un million, pour créer ce qu'on appelle un résonateur optique. En modelant une surface avec un certain nombre de ces résonateurs, pliés à différents angles - pour créer ce qu'on appelle une métasurface - ils ont découvert qu'ils pouvaient obtenir de la lumière pour faire à peu près tout ce qu'ils voulaient.

Voici ce qu'ils ont réussi à faire jusqu'à présent :

Des miroirs qui (semblent) enfreindre les lois de la réflexion
Nous l'avons appris à l'école primaire : l'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion. Envoyez de la lumière directement dans un miroir et elle reviendra tout de suite. Pas plus. Les miroirs de métasurface basés sur des antennes des chercheurs réfléchissent la lumière dans les directions arbitraires de leur choix. En plus de nous donner une compréhension plus générale de la physique de la réflexion et de la réfraction, ces appareils nous permettent de contrôler et de rediriger la lumière de manières toujours plus polyvalentes.

Une lentille plate aussi fine qu'un cheveu
Une lentille, nous dit-on, est un morceau de verre rond avec un renflement au centre, utilisé pour apporter la lumière à un point. Pour faire la mise au point d'une caméra, nous devons déplacer l'objectif, d'avant en arrière, jusqu'à ce qu'une image soit nette. Mais que se passe-t-il si l'élément de focalisation peut avoir une épaisseur de seulement 60 nanomètres, la lentille entière ayant la largeur de quelques cheveux humains ? Et si en changeant la forme de quelques minuscules antennes à l'intérieur d'un tel objectif, nous pouvions décaler la mise au point ? Cela pourrait permettre de miniaturiser les composants d'imagerie comme jamais auparavant.

Plaques d'onde en métamatériau
Classiquement, la polarisation de la lumière rotative, ou la commutation entre la polarisation linéaire et circulaire, nécessite des cristaux spéciaux avec des indices de réfraction qui dépendent de la façon dont la lumière entrante est polarisée. Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient imiter ces effets avec leurs réseaux d'antennes à la place. Étant donné qu'en commutant la polarisation de la lumière, on pourrait coder des données, cette classe d'éléments a des applications potentielles dans l'informatique et la communication optiques quantiques.

Optique de laboratoire de métamatériaux
Deux outils de laboratoire courants ont également été refaits sous forme de métamatériau. Le premier est une plaque de phase en spirale, qui convertit un point laser normal en un faisceau de lumière en forme de beignet avec un moment angulaire. Le faisceau de vortex résultant, comme on l'appelle, peut envoyer des particules illuminées en orbite autour de son centre sombre. Le second est un axicon, un élément optique qui génère un effet presque sans diffraction Poutre de Bessel , qui peut être utilisé pour positionner avec précision des particules de la taille d'un micron et les déplacer le long d'un chemin bien défini.

Voici comment ça fonctionne:

Il s'avère que ces résonateurs optiques ne sont pas trop différents des antennes de tous les jours.

Le champ électrique oscillant de la lumière entraîne les électrons de haut en bas le long de chaque conducteur de l'antenne. Dans un récepteur, comme une antenne de télévision, ce courant fluctuant est capté et traité. Mais il y a un effet secondaire à l'œuvre : des charges accélérées rayonnent également. Et le champ re-rayonné différera généralement en termes de polarisation, d'amplitude et de phase. La différence dépend de la forme, de la taille et de l'orientation de chaque résonateur, et c'est ce champ dispersé que les scientifiques manipulent. La polarisation décrit la direction du champ électrique ; l'amplitude donne la taille des oscillations ; et la phase marque l'endroit où se trouve l'onde dans son cycle. Avec la fréquence, ils suffisent à décrire complètement un faisceau de lumière.

Les éléments optiques conventionnels modifient la phase et la polarisation de la lumière en la faisant passer à travers un matériau d'épaisseur variable. Les épaisseurs doivent être soigneusement mesurées, les courbures coupées avec précision, pour éviter les erreurs et les défauts. Le réseau d'antennes est capable d'obtenir la même chose en réglant directement la polarisation, l'amplitude et la phase de lumière souhaitées à chaque point de l'espace, comme si le faisceau venait de traverser une lentille. De cette façon, l'onde est construite pixel par pixel, presque numériquement.

À une distance inférieure à une longueur d'onde au-dessus du réseau, le nouveau faisceau est déjà entièrement formé. Cette percée nous a sans aucun doute apporté les optiques les plus compactes que le monde ait jamais vues. Dans un article à paraître dans l'IEEE, les chercheurs résument leurs découvertes. Ils passent en revue la science derrière leur nouveau métamatériau basé sur des antennes et nous mettent à jour sur les progrès qu'ils ont accomplis dans le remplacement de l'optique conventionnelle par ces alternatives plates.

Ce que c'est: Une classe d'optiques pour la plupart exemptes des distorsions communes à leurs homologues conventionnelles, qui sont faciles à fabriquer par des méthodes d'impression bien établies, et essentiellement bidimensionnelles.

Ce que ce n'est pas : Ces antennes ne sont généralement pas utiles pour traiter les longueurs d'onde visibles de la lumière. Ces composants ne maintiennent pas non plus la polarisation, puisque différents aspects de l'onde (polarisation, phase, amplitude) sont manipulés ensemble, ce qui limite les applications. Un autre problème est l'inefficacité, en raison de leur dépendance au mécanisme de diffusion.

Mais même avec une telle limitation, comme le suggèrent les exemples ci-dessus, il y a suffisamment de raisons d'être excité.

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