« Le plus petit photon du monde » confiné dans une nanocavité diélectrique

Les chercheurs ont pour la première fois confiné la lumière à des dimensions inférieures à la limite de diffraction dans une cavité diélectrique nanométrique. Les travaux, qui confirment une prédiction théorique faite en 2006, pourraient favoriser le développement de nouvelles architectures de puces optiques moins énergivores que leurs homologues électriques.

La théorie de l'optique classique stipule que la lumière ne peut pas être focalisée dans un volume plus petit qu'un cube avec une longueur de côté égale à la moitié de sa longueur d'onde. C'est la limite de diffraction, et elle limite la résolution des microscopes optiques. Ces dernières années, cependant, les chercheurs ont utilisé des nanoparticules métalliques pour comprimer plutôt que focaliser la lumière. Cette lumière comprimée est plus intense et interagit plus fortement avec la matière.

Le problème avec les nanoparticules métalliques, cependant, est qu'elles absorbent la lumière en plus de la comprimer, ce qui entraîne des pertes optiques. Les particules fabriquées à partir de matériaux diélectriques devraient être meilleures, car elles absorbent moins fortement la lumière, et en 2006 une équipe dirigée par Michael Lipson à l'Université de Columbia aux États-Unis a montré que leur remplacement devrait, en théorie, fonctionner.

Optimisation de la topologie

Dans la dernière étude, des chercheurs du Centre NanoPhoton de l'Université technique du Danemark (DTU) ont fabriqué leur cavité optique à l'échelle nanométrique à partir de silicium, le matériau diélectrique de la technologie de l'information moderne. Comme d'autres cavités de ce type, la nouvelle nanostructure est conçue pour retenir la lumière en la réfléchissant dans les deux sens entre deux miroirs afin qu'elle ne se propage pas comme elle le ferait habituellement.

Pour concevoir la cavité, les chercheurs ont utilisé une technique appelée optimisation de la topologie qui a été mise au point par un membre de l'équipe Olé Sigmund, qui l'a initialement utilisé pour concevoir des ponts et des ailes d'avions. "Plutôt que de commencer par un concept de conception et d'ajouter éventuellement des éléments d'optimisation numérique autour de ce point de départ, nous laissons un ordinateur trouver la conception optimale, c'est-à-dire celle qui comprime le plus intensément la lumière dans la cavité optique", explique le chef d'équipe. Soren Stobbe.

La conception de la cavité générée par ordinateur qui en résulte présente une structure en forme de nœud papillon en son centre qui confine la lumière dans l'espace. Une structure en forme d'anneau entourant le nœud papillon aide à augmenter le facteur de qualité de la cavité - une propriété intrinsèque des résonateurs qui se rapporte à la force des mécanismes de perte.

Défis de la nanofabrication

La fabrication de cette conception était difficile, dit Stobbe. Pour le construire, ils ont dû construire un pont de silicium de 8 nm au centre de la structure du nœud papillon, qui à son tour devait être entièrement gravé dans la couche de dispositif de silicium de 220 nm avec des parois latérales presque verticales. Ce serait une tâche de nanofabrication exigeante en soi, mais les chercheurs devaient également relever un défi encore plus important : contrairement aux nanocavités conventionnelles basées, par exemple, sur des cristaux photoniques ou des micropiliers, la dimension critique joue un rôle clé pour les cavités en nœud papillon.

"En effet, le volume de mode de la cavité dépend de la petite taille des caractéristiques qu'un processus de fabrication donné permet", explique Stobbe. Monde de la physique, « mais modifier le processus modifie également la conception optimale. Nous avons résolu ce problème en mesurant les contraintes de fabrication et en les incluant dans l'optimisation de la topologie. Cette approche, qui est une première dans n'importe quel domaine de la recherche ou de l'ingénierie, garantit que nous obtenons le plus petit volume de mode possible donné par notre processus de fabrication.

La cavité atomique voit deux fois le même photon

Selon les chercheurs, ces travaux pourraient permettre de développer des architectures de puces optiques économes en énergie pour les composants des centres de données, des ordinateurs et des téléphones. Ils explorent maintenant plusieurs nouvelles directions, notamment l'implantation d'émetteurs de lumière à l'intérieur du silicium. "Cela nous permettrait de mesurer directement l'amélioration des interactions lumière-matière sur les larges bandes passantes permises par nos cavités", explique Stobbe.

Un autre aspect à l'étude sera de repousser la dimension critique des cavités, qui sont déjà proches de la taille limite possible. Cela nécessitera des méthodes entièrement nouvelles pour la nanofabrication de silicium par auto-assemblage, qui semblent extrêmement prometteuses, révèle Stobbe.

Le présent travail est détaillé dans Communications Nature.

• Contenu propulsé par le référencement et distribution de relations publiques. Soyez amplifié aujourd'hui.
• Platoblockchain. Intelligence métaverse Web3. Connaissance Amplifiée. Accéder ici.
• La source: https://physicsworld.com/a/worlds-smallest-photon-confined-in-dielectric-nanocavity/