Une équipe de recherche codirigée par le professeur Zhang Shuang, chef par intérim du département de physique de l'Université de Hong Kong, et le professeur Dai Qing du Centre national chinois pour les nanosciences et la technologie a proposé une solution à un problème commun dans le domaine de la nanophotonique : l'étude de la lumière à des échelles extrêmement petites. Les résultats de leurs recherches ont été récemment publiés dans la célèbre revue académique "Nature-Materials" et ils ont proposé une méthode d'onde de fréquence complexe synthétique (CFW) pour résoudre le problème de la perte optique lors de la propagation des polarons.

Ces résultats fournissent des solutions pratiques telles que l'utilisation de dispositifs basés sur la lumière plus efficaces dans des dispositifs tels que des puces informatiques et des dispositifs de stockage de données pour permettre un stockage et un traitement de données plus rapides et plus compacts, et pour améliorer la précision des capteurs, de la technologie d'imagerie et des systèmes de sécurité.

Les polaritons de plasmons de surface et les polaritons de phonons présentent les avantages d'un stockage d'énergie efficace, d'une amélioration du champ local et d'une sensibilité élevée, grâce à leur capacité à confiner la lumière à petite échelle. Cependant, leurs applications pratiques sont entravées par le problème des pertes ohmiques, qui provoquent une dissipation d'énergie lors de l'interaction avec des matériaux naturels.

Propagation de polaritons de phonons hyperboliques et de polaritons de phonons elliptiques sur des couches minces d'α-MoO3. (a) Microscopie à force atomique d'une antenne placée sur un film d'α-MoO3. (b) Mesurez la fréquence réelle du polaron hyperbolique à différentes fréquences réelles. (c) Les mesures de fréquence complexes fournissent un comportement de propagation à très longue distance. (d) Microscopie à force atomique de deux antennes en or avec un espacement différent. (e) Mesures d'amplitude et de pièces réelles à la fréquence réelle f = 990 cm-1. (f) Mesures d'amplitude et de pièces réelles à fréquence complexe f = (990-2i) cm-1. (Image adaptée de Nature-Matériaux, 2024). Source : Université de Hong Kong

Cette limitation a entravé le développement de la nanophotonique pour les circuits de détection, d’ultra-imagerie et nanophotoniques au cours des trois dernières décennies. Surmonter les pertes ohmiques améliorera considérablement les performances des dispositifs, permettant ainsi le développement de technologies de détection, d’imagerie haute résolution et de circuits nanophotoniques avancés.

Le professeur Zhang Shuang, l'auteur correspondant de l'article, a expliqué l'objet de la recherche : « Afin de résoudre le problème de la perte optique dans des applications clés, nous avons proposé une solution pratique. En utilisant une nouvelle excitation d'ondes complexes synthétiques, nous pouvons obtenir un gain virtuel pour compenser la perte intrinsèque du système de polaritons. Pour vérifier cette méthode, nous l'avons appliquée au système de propagation des polaritons des phonons et avons observé une amélioration significative de la propagation des polaritons.

"Nous avons démontré cette méthode en menant des expériences dans la gamme de fréquences optiques en utilisant des matériaux de polariton de phonons tels que l'hydrure de bore et l'oxyde de molybdène. Comme prévu, nous avons obtenu des distances de propagation presque sans perte, ce qui est cohérent avec les prédictions théoriques", a ajouté le Dr Guan Fuxin, premier auteur de l'article et chercheur postdoctoral au Département de physique de l'Université de Hong Kong.

Approche multifréquence pour surmonter la perte optique

Dans cette étude, l’équipe de recherche a développé une nouvelle méthode multifréquence pour résoudre le problème de la perte d’énergie lors de la propagation des polarons. Ils ont utilisé un type spécial d'onde appelé « onde de fréquence complexe » pour obtenir un gain virtuel et compenser les pertes dans le système optique. Les ondes ordinaires maintiennent une amplitude ou une intensité constante dans le temps, tandis que les ondes de fréquence complexes présentent à la fois une oscillation et une amplification. Cette fonctionnalité permet une représentation plus complète du comportement des vagues et compense les pertes d’énergie.

Propagation de polarons unidimensionnelle (de gauche à droite) à l'aide de films hBN fonctionnant aux fréquences optiques. (a) L'image de fréquence réelle montre un profil de champ d'atténuation clair dans la direction de propagation. (b) Les mesures de fréquence complexes fournissent un comportement de propagation pratiquement sans atténuation. (Image adaptée de « Nature-Materials », 2024) Source : Université de Hong Kong

Bien que la fréquence soit généralement traitée comme un nombre réel, elle comporte également une partie imaginaire. Cette partie imaginaire nous raconte comment la vague devient plus forte ou plus faible avec le temps. Les ondes de fréquence complexes avec des parties imaginaires négatives (positives) se désintègrent (s'amplifient) avec le temps. Cependant, effectuer directement des mesures sous excitation d’ondes de fréquence complexes en optique est un défi car cela nécessite des mesures de synchronisation complexes. Pour surmonter cette difficulté, les chercheurs ont utilisé l’outil mathématique de la transformée de Fourier, qui décompose une onde de fréquence complexe tronquée (CFW) en composants aux fréquences indépendantes.

Tout comme lorsque vous cuisinez et avez besoin d’un ingrédient spécifique difficile à trouver, les chercheurs ont suivi une ligne de pensée similaire. Ils décomposent les ondes de fréquence complexes en ingrédients plus simples, par exemple en utilisant des ingrédients de substitution dans une recette. Chaque composant représente un aspect différent de l'onde de fréquence. C'est comme préparer un plat délicieux en utilisant des ingrédients de substitution pour obtenir la saveur désirée. En mesurant ces composants à différentes fréquences et en combinant les données, ils ont reconstruit le comportement du système exposé à des ondes à fréquences complexes. Cela les aide à comprendre et à compenser les pertes d’énergie. Cette approche simplifie grandement l’utilisation pratique du CFW dans différentes applications, notamment la propagation des polaritons et l’hyperimagerie. En prenant des mesures optiques à différentes fréquences réelles à intervalles fixes, la réponse optique du système à des fréquences complexes peut être construite. Ceci peut être réalisé en combinant mathématiquement les réponses optiques obtenues à différentes fréquences réelles.

Un autre auteur correspondant de l'article, le professeur Dai Qing du Centre national des nanosciences et technologies, a souligné que ces travaux apportent une solution pratique au problème de longue date de perte de lumière en nanophotonique. Il a souligné l'importance de l'approche synthétique des fréquences complexes, notant qu'elle pourrait facilement être appliquée à diverses autres applications telles que la détection moléculaire et les circuits intégrés nanophotoniques. Il a en outre souligné : "Cette méthode est remarquable et universellement applicable car elle peut également être utilisée pour résoudre des problèmes de perte dans d'autres systèmes d'ondes, notamment les ondes acoustiques, les ondes élastiques et les ondes quantiques, améliorant ainsi la qualité de l'imagerie à des niveaux sans précédent."

Source compilée : ScitechDaily