Première ! L'Université de Tel-Aviv crée un nano-cristal permettant un contrôle sans précédent de la lumière
[:fr]Le Dr Sivan Cohen-Wiesenfeld, membre du comité scientifique de Israël Science Info, nous communique cet article : l’étudiant en master Nadav Segal et les doctorants Shay Keren-Zur et Netta Hendler, sous la direction du Dr. Tal Ellenbogen du Département d’électronique physique de l’Ecole de génie électrique de la Faculté d’ingénierie de l’Université de Tel-Aviv, ont réussi à développer un nouveau matériau non-linéaire permettant un contrôle sans précédent des fréquences lumineuses. Selon eux, ce nano-cristal aura de nombreuses applications pour les systèmes exigeant le contrôle et la manipulation de la lumière, comme les commutateurs optiques, les convertisseurs de fréquence de lasers et les amplificateurs de lumière.
L’étude a valu à Nadav Segal le prix Feder pour les travaux de recherche exceptionnels dans le domaine des technologies de la communication, et à Shay Keren-Zur la bourse du Centre des énergies renouvelables de l’UTA.
De l’électronique à la photonique
« Les matériaux optiques non-linéaire sont des substances qui réagissent à la lumière d’une manière non proportionnelle à son champ électromagnétique » explique le Dr. Ellenbogen. « En d’autres termes, lorsque la lumière passe à travers ces matériaux, elle change de fréquence. Ces substances sont donc à la base des technologies futures reposant sur le contrôle de lumière, telles que les technologies informatiques optiques ».
« Le monde passe aujourd’hui progressivement de l’électronique, c’est-à-dire de la gestion des signaux électriques, à la photonique ou traitement des signaux optiques » poursuit-il. « Par exemple, les informations qui transitent sur Internet par l’intermédiaire de fibres optiques sont transmises en fin de parcours à des terminaux électroniques, où elles subissent une transformation en signaux électriques. De même nos ordinateurs fonctionnent par traitement électronique, mais il y a un énorme intérêt à passer au traitement de signal optique dans de nombreux dispositifs, car il est à la fois économe en énergie et beaucoup plus rapide ».
Pour cela, il est nécessaire de développer des composants optiques à l’échelle nanométrique qui soient en mesure de manipuler la lumière. Grâce aux énormes progrès de la nanotechnologie, il devient aujourd’hui possible de tenter de trouver une solution à ce défi technologique, en créant des nanostructures à partir de matériaux divers.
Nano-antennes optiques
« Ces nanostructures permettent à leur tour de créer des matériaux composites possédant de nouvelles propriétés optiques » explique le Dr. Ellenbogen. « On les appelle parfois méta-matériaux car ils présentent des propriétés qu’on ne retrouve pas dans les matériaux naturels. Ces dernières années, on a commencé à produire également des méta-matériaux non-linéaires qui ouvrent de nouvelles perspectives pour contrôler la lumière ».
« Les matériaux optiques conventionnels, dits linéaires, ne sont pas capables de modifier la fréquence de la lumière », explique Shay Keren-Zur. « Les matériaux non linéaires, eux permettent un doublement de cette fréquence, ainsi que la connexion de différentes fréquences entre elles. Deux photons qui passent au travers d’un matériau non linéaire viennent en interaction l’un avec l’autre, de sorte qu’on peut en contrôler un à l’aide de l’autre ».
« Ces derniers temps, on a commencé à mettre au point des méta-matériaux optiques non-linéaires construits à partir de nano-antennes optiques. Dans notre étude, nous avons montré que si on dispose ces nano-antennes dans un certain ordre, le méta-matériau se comporte comme un cristal, et nous pouvons donc contrôler la lumière émise par ce quartz – à la fois sa direction et sa phase. Ce contrôle de la lumière possède de nombreuses applications. C’est pourquoi des entreprises géantes comme IBM ou Intel investissent aujourd’hui beaucoup dans le domaine de la nano-photonique ».
Au Centre de nanotechnologie de l’UTA
« Nous n’avons pas inventé le domaine des méta-matériaux non-linéaires », explique Nadav Segal, « mais nous avons montré comment on peut contrôler la lumière émise par le cristal : comment créer un cristal photonique qui permette un contrôle sans précédent de la lumière ».
« Après avoir montré que notre idée marche en théorie, nous avons commencé à produire le matériau lui-même, ici même, au centre de nano de l’Université de Tel-Aviv » ajoute Shay Keren-Zur.
Le développement de ce nouveau matériau a pris deux ans. Finalement les chercheurs ont conçu un modèle de cristal non linéaire constitué d’unités de base en or d’une taille de 180 sur 180 nanomètres. Ils estiment que dans l’avenir on utilisera ce nouveau matériau pour créer une variété de produits pour l’électronique et l’informatique, comme des commutateurs optiques, des convertisseurs de fréquence de lasers et des amplificateurs de lumière. A présent, ils ont l’intention d’explorer toutes les possibilités de ce nouveau composant, tels que l’addition et la soustraction de fréquences.
Dr Sivan Cohen-Wisenfeld pour l’association des Amis de l’université de Tel Aviv, rédactrice de recherche, membre du comité scientifique de Israël Science Info
Publication dans Nature Photonics, 16 février 2015[:en]Since the seminal paper by Bloembergen and colleagues on nonlinear optical interactions, this field has supplied some of the most important contributions to optics-related science and applications, including the exceptional ability to generate coherent light throughout the optical spectrum. Recently, a new family of nanostructured optical materials, so called metamaterials, with artificial effective nonlinearities has been demonstrated. Controlling their nonlinear output has the potential to open up a whole new area of fundamental research and lead to the development of efficient, active, integrated and ultra-compact nonlinear optical devices. Here, we experimentally demonstrate unprecedented control over the nonlinear emission from metamaterials by constructing the first nonlinear metamaterial-based photonic crystals. We specifically demonstrate engineered nonlinear diffraction and all-optical scanning, enabling ultra-wide angular scanning of the nonlinear output from the metamaterial. We also demonstrate intense focusing of the nonlinear signal directly from the metamaterial, resulting in an intensity enhanced by nearly two orders of magnitude.
Publication in Nature Photonics, February 16, 2015
Also on line on Association of French friends of Tel Aviv University, by Dr Cohen-Wiesenfeld, part of Israel Science Info scientific committee[:]
