Diriger la lumière d’un endroit à un autre est l’épine dorsale de notre monde moderne de l’information. Les câbles à fibres optiques traversent les océans profonds et les vastes continents, transportant de la lumière qui contient tout, des clips vidéo YouTube aux virements bancaires, dans des fibres très fines. Cependant, le professeur Jiwoong Park de l'Université de Chicago voulait savoir ce qui se passerait si la fibre était rendue plus fine et plus plate - si fine qu'elle était en réalité bidimensionnelle au lieu de tridimensionnelle. Qu'arrive-t-il à la lumière ?
Des scientifiques de l'Université de Chicago ont découvert qu'un cristal de verre de seulement quelques atomes d'épaisseur peut capter et transporter la lumière et pourrait être utilisé dans diverses applications. Le fil fin au centre du plastique tenu par Hanyu Hong, co-auteur de l’étude, est ce matériau. Source image : Jean Lachat
Grâce à une série d’expériences innovantes, lui et son équipe ont découvert que de fines tranches de cristaux de verre de quelques atomes d’épaisseur seulement peuvent capter et transporter la lumière. De plus, il est étonnamment efficace et peut parcourir une distance relativement longue – un centimètre, ce qui est très loin dans le monde de l’informatique basée sur la lumière.
Le professeur Jiwoong Park (à gauche) et le scientifique Hanyu Hong (à droite) au Laboratoire Laser, où ils ont confirmé que le matériau peut transporter la lumière, même s'il est plus petit que la lumière elle-même. Source image : Jean Lachat
La recherche, récemment publiée dans la revue Science, démontre ce qui est essentiellement un circuit photonique bidimensionnel et pourrait ouvrir la voie à de nouvelles technologies.
"Nous avons été complètement surpris par la puissance de ce cristal ultra-fin ; non seulement il peut retenir l'énergie, mais il peut également la transmettre mille fois plus loin que quiconque n'a jamais vu dans des systèmes similaires. La lumière piégée se comporte également comme si elle voyageait dans un espace bidimensionnel", a déclaré Jiwoong Park, auteur principal de l'étude et professeur et directeur du département de chimie de l'Institut James Franck et de la Pritzker School of Molecular Engineering.
lumière de guidage
Le système nouvellement inventé est une méthode de guidage de la lumière, connue sous le nom de guide d’ondes, de nature bidimensionnelle. Lors de tests, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient diriger la lumière le long du trajet de la puce à l'aide de prismes, de lentilles et de commutateurs extrêmement petits, tous des éléments de circuits et d'informatique.
Des circuits photoniques existent déjà, mais ils sont beaucoup plus grands et tridimensionnels. Surtout, dans les guides d’ondes existants, les particules de lumière – appelées photons – se propagent toujours enfermées dans le guide d’ondes.
Les scientifiques expliquent que dans ce système, le cristal de verre est en réalité plus fin que le photon lui-même, de sorte qu’une partie du photon dépasse du cristal lors de son déplacement.
Le professeur Jiwoong Park (à gauche) et le scientifique Hanyu Hong (à droite) examinent le matériel dans le laboratoire de Park à l'Université de Chicago. Lors des tests, ils peuvent utiliser de minuscules prismes, lentilles et interrupteurs pour diriger la lumière le long du trajet de la puce – tous les éléments des circuits et de l’informatique. Crédit photo : Jean-Rachat
C'est un peu comme construire un tube pour transporter des valises dans un aéroport plutôt que de poser des valises sur un tapis roulant. Sur le tapis roulant, les valises sont à l'air libre et vous pouvez facilement les voir et les ajuster en cours de route. Cette approche facilite la création de dispositifs complexes à partir de cristaux de verre, puisque la lumière peut se déplacer facilement à travers des lentilles ou des prismes.
Les photons peuvent également obtenir des informations sur les conditions tout au long de leur parcours. Pensez-y, vérifiez votre valise qui arrive de l'extérieur pour voir s'il neige dehors. De même, les scientifiques pourraient imaginer utiliser ces guides d’ondes pour créer des capteurs à l’échelle microscopique.
"Disons que vous avez un échantillon de liquide et que vous souhaitez détecter la présence d'une molécule spécifique", explique Park. "Vous pouvez le concevoir de manière à ce que le guide d'onde traverse l'échantillon et que la présence de cette molécule modifie le comportement de la lumière."
Les scientifiques souhaitent également construire des circuits photoniques très fins qui peuvent être empilés les uns sur les autres pour intégrer davantage de petits dispositifs sur la même zone de puce. Le cristal de verre utilisé dans ces expériences était du bisulfure de molybdène, mais le principe s'applique également à d'autres matériaux.
Alors que les théoriciens ont prédit que ce comportement devrait exister, sa réalisation en laboratoire a pris des années, ont déclaré les scientifiques.
"Il s'agissait d'un problème extrêmement difficile mais satisfaisant car nous sommes entrés dans un domaine complètement nouveau. Par conséquent, tout ce dont nous avions besoin a dû être conçu nous-mêmes, de la culture du matériau à la mesure du mouvement de la lumière", a déclaré Hanyu Hong, étudiant diplômé et co-premier auteur de l'article.