Une variante des feuilles atomiques pour créer de nouveaux matériaux

La façon dont la lumière interagit avec les matériaux naturels est bien comprise en physique et en science des matériaux. Mais au cours des dernières décennies, les chercheurs ont fabriqué des métamatériaux qui interagissent avec la lumière de nouvelles manières qui dépassent les limites physiques imposées aux matériaux naturels.

Un métamatériau est composé de réseaux de « métaatomes » qui ont été transformés en structures souhaitables à l’échelle d’une centaine de nanomètres. La structure des réseaux de métaatomes facilite des interactions précises entre la lumière et la matière. Cependant, la grande taille des métaatomes par rapport aux atomes réguliers, qui sont inférieurs au nanomètre, a limité les performances des métamatériaux pour les applications pratiques.

Aujourd’hui, une équipe de recherche collaborative dirigée par Bo Zhen de l’Université de Pennsylvanie a dévoilé une nouvelle approche qui conçoit directement les structures atomiques du matériau en empilant les réseaux bidimensionnels dans des formations en spirale pour exploiter une nouvelle interaction lumière-matière. Cette approche permet aux métamatériaux de surmonter les limitations techniques actuelles et ouvre la voie aux lasers, à l’imagerie et aux technologies quantiques de nouvelle génération. Leurs conclusions ont été publiées dans la revue Photonique naturelle.

“C’est comme empiler un jeu de cartes, mais en tordant légèrement chaque carte avant de l’ajouter à la pile”, explique Zhen, auteur principal de l’article et professeur adjoint à la School of Arts & Sciences de Penn. “Cette torsion change la façon dont l’ensemble du “pont” réagit à la lumière, lui permettant de présenter de nouvelles propriétés que les couches individuelles ou les piles traditionnelles ne possèdent pas.”

Bumho Kim, chercheur postdoctoral au Zhen Lab et premier auteur de l’article, explique qu’en empilant des couches d’un matériau appelé disulfure de tungstène (WS₂) et en les tordant selon certains angles, ils ont introduit ce que l’on appelle des symétries de vis.

“La magie réside dans le contrôle de la torsion”, explique Kim. “Lorsque vous tournez les calques selon des angles spécifiques, vous modifiez la symétrie de la pile. La symétrie, dans ce contexte, fait référence à la façon dont certaines propriétés des matériaux, comme la façon dont ils interagissent avec la lumière, sont contraintes par leur disposition spatiale.”

En modifiant cet arrangement à l’échelle atomique, les chercheurs ont contourné les règles régissant ce que ces matériaux peuvent faire et en contrôlant la torsion à travers plusieurs couches de WS.₂ils ont créé ce que l’on appelle des matériaux optiques non linéaires 3D.

Kim explique qu’une seule couche de WS₂ présente des symétries particulières, qui permettent certains types d’interactions avec la lumière, où deux photons à une fréquence donnée peuvent interagir avec le matériau pour produire un nouveau photon à une fréquence double, un processus connu sous le nom de génération de seconde harmonique (SHG).

“Mais quand deux couches de WS₂ sont empilés avec un angle de torsion différent du 0° ou 180° conventionnel, toutes les symétries de miroir présentes dans la couche unique sont brisées”, explique Kim. “Cette symétrie de miroir brisée est cruciale car elle conduit à une réponse chirale – quelque chose entièrement nouveau et invisible dans les couches individuelles.

Les chercheurs expliquent que la réponse chirale est significative car il s’agit d’un effet coopératif résultant du couplage entre les fonctions d’onde électroniques des deux couches, un phénomène qui ne peut survenir que dans des interfaces torsadées.

Une propriété intéressante, ajoute Zhen, est que le signe de la réponse chirale non linéaire s’inverse lorsque l’angle de torsion est inversé. Cela démontre un contrôle direct sur les propriétés non linéaires en modifiant simplement l’angle de torsion entre les couches, un niveau de réglage qui pourrait être révolutionnaire pour la conception de matériaux optiques avec des réponses personnalisées.

En passant des bicouches aux tricouches et au-delà, les chercheurs ont observé comment les réponses SHG interfaciales peuvent interférer de manière constructive ou destructrice en fonction des angles de torsion entre les couches.

Dans une pile composée de couches en multiples de quatre, “les réponses chirales de toutes les interfaces s’additionnent, tandis que les réponses dans le plan s’annulent”, explique Kim. “Cela conduit à un nouveau matériau qui présente uniquement des susceptibilités chirales non linéaires. Ce résultat ne pourrait pas être obtenu sans l’empilement et la torsion précis des couches.”

Les chercheurs ont découvert que la symétrie en vis permet une nouvelle sélectivité pour le champ électrique de la lumière dans le matériau, une partie de la lumière qui détermine sa direction et son intensité. Kim note comment ils ont découvert que la symétrie en vis permet un nouveau type de génération de lumière dans des formes torsadées à quatre et huit rayons. empilements de couches, génération de troisième harmonique polarisée de manière contra-circulaire, dans laquelle la lumière se déplace dans la direction spirale opposée – une qualité non observée dans le constituant WS₂ monocouches.

“L’ajout d’une symétrie artificielle en vis nous permet de contrôler la sélectivité circulaire optique non linéaire à l’échelle nanométrique”, explique Kim.

En testant expérimentalement cette technique, les chercheurs ont vérifié les non-linéarités prédites inhérentes à diverses configurations de WS torsadés.₂ des piles. L’équipe a observé de nouvelles réponses non linéaires et une sélectivité circulaire dans les WS torsadés₂ des piles qui ne peuvent pas être trouvées dans les WS naturels₂une révélation qui pourrait avoir de profondes implications dans le domaine de l’optique non linéaire.