Développement réussi de la toute première meta-lentille bipolaire ultraplanchée au monde

2013-03-14_EBL

Prof. Dr. Thomas Zentgraf, responsable du groupe de travail « Nanophotonique ultrarapide » au Département de Physique de l'Université de Paderborn, et Dr. Shuang Zhang, responsable de l'équipe à l'Université de Birmingham, ont conjointement développé la première lentille ultraplate au monde pour la lumière visible.

Contrairement aux lentilles en verre traditionnellement taillées, la nouvelle lentille est plate et extrêmement fine. Elle ne fait que 20 à 30 nanomètres (nm) d'épaisseur, soit 0,00002 à 0,00003 mm. Un cheveu humain est environ 2 000 fois plus épais en comparaison.

La lentille est composée d’un nouveau type de métamatériau, une combinaison de verre et d’or, qui agrandit ou réduit les objets en fonction du type de lumière incidente, c’est-à-dire de son état de polarisation. « La meta-lentille montre le potentiel que peuvent révéler de nouveaux matériaux optiques pour influencer la lumière de manière très ciblée et efficace », explique Thomas Zentgraf : « Elle ouvre de nouvelles possibilités flexibles pour la création de propriétés matérielles spécifiques, car la structuration de la surface peut être modifiée à volonté. »

La meta-lentille peut être utilisée dans des composants pour la photonique et permet, grâce à sa forme plate, une conception très compacte, par exemple dans des circuits optiques intégrés ou pour la mise en forme du faisceau lumineux des diodes électroluminescentes. D’autres applications sont envisageables en biophysique, par exemple pour la « pince optique ». Dans cette utilisation, la meta-lentille peut générer un profil de faisceau lumineux spécifique permettant de « capturer » et de maintenir des objets. Et pour le développement futur d’un ordinateur quantique, la lentille pourrait remplacer le fonctionnement des transistors, lorsqu’elle est utilisée comme un « commutateur lumineux ». »

Le métamatériau de la nouvelle lentille est constitué d’une structure microscopiquement fine fabriquée artificiellement. Sur un substrat en verre, des bandes d’or de 100 à 200 nm de long sont créées par lithographie à faisceau d’électrons. Selon leur orientation, ces bandes influencent la lumière incidente comme de petites antennes localement différentes. Cela permet d’obtenir l’effet d’une lentille convergente ou divergente classique. Lorsqu’une lumière polarisée circulairement à droite frappe la meta-lentille, celle-ci agit en la focalisant. Avec une lumière polarisée circulairement à gauche, le faisceau est dispersé, donc défocalisé. La propriété de la meta-lentille (focalisante ou divergeante) peut ainsi être modifiée simplement en changeant l’état d’oscillation de la lumière, contrairement à une lentille classique dont cette propriété est fixe.

Comme la taille des bandes d’or dans la lentille doit être adaptée à la couleur, c’est-à-dire à la longueur d’onde de la lumière utilisée, les structures sur la lentille sont également très petites. « Nous avons testé à la limite du spectre visible, vers 700 nm », explique Thomas Zentgraf : « Nous sommes proches des limites actuelles de la technologie avec la lithographie à faisceau d’électrons, mais cela continuera de progresser. »

Prof. Dr. Thomas Zentgraf dirige au Département de Physique de l’Université de Paderborn le groupe de travail « Nanophotonique ultrarapide » et est membre de l’établissement scientifique central « Centre d’Optoélectronique et de Photonique de Paderborn (CeOPP) ». Son groupe travaille sur le développement de matériaux optiques artificiels ainsi que sur de nouveaux concepts pour influencer la propagation de la lumière. La publication originale en ligne : http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n11/full/ncomms2207.html