Une caméra électronique à grande vitesse révèle un nouveau comportement de « torsion de la lumière » dans un matériau ultra-mince

En prenant des clichés avec la caméra électronique à grande vitesse du laboratoire national d’accélération SLAC du ministère de l’Énergie, les chercheurs ont découvert un nouveau comportement dans un matériau ultrafin qui offre une approche prometteuse pour manipuler la lumière. Cette approche sera utile pour les dispositifs qui détectent, contrôlent ou émettent de la lumière, collectivement appelés dispositifs optoélectroniques, et pour étudier la façon dont la lumière est polarisée dans un matériau. Les dispositifs optoélectroniques sont utilisés dans de nombreuses technologies qui touchent notre vie quotidienne, notamment les diodes électroluminescentes (DEL), les fibres optiques et l’imagerie médicale.

Comme indiqué dans Lettres Nanol’équipe, dirigée par le professeur Aaron Lindenberg du SLAC et de Stanford, a découvert que lorsqu’il est orienté dans une direction spécifique et soumis à un rayonnement térahertz linéaire, un film ultra-mince de ditellurure de tungstène, qui possède des propriétés souhaitables pour polariser la lumière utilisée dans les dispositifs optiques, polarise circulairement la lumière entrante.

Le rayonnement térahertz se situe entre les micro-ondes et les infrarouges dans le spectre électromagnétique et permet de nouvelles méthodes de caractérisation et de contrôle des propriétés des matériaux. Les scientifiques aimeraient trouver un moyen d’exploiter cette lumière pour le développement de futurs dispositifs optoélectroniques.

Capturer le comportement d’un matériau sous lumière térahertz nécessite un instrument avancé capable d’enregistrer les interactions à des vitesses ultra-rapides, et l’instrument de pointe du SLAC pour la diffraction électronique ultra-rapide (MeV-UED) à la source de lumière cohérente Linac (LCLS) peut faire exactement cela.

Alors que le MeV-UED est normalement utilisé pour visualiser le mouvement des atomes en mesurant la façon dont ils dispersent les électrons après avoir frappé un échantillon avec un faisceau d’électrons, cette nouvelle étude a utilisé les impulsions électroniques femtosecondes pour visualiser les champs électriques et magnétiques des impulsions térahertz entrantes, qui ont provoqué le mouvement des électrons d’avant en arrière. Dans l’étude, la polarisation circulaire a été indiquée par des images des électrons qui présentaient un motif circulaire plutôt qu’une ligne droite

Le matériau ultrafin ne mesure que 50 nanomètres d’épaisseur. « C’est 1 000 à 10 000 fois plus fin que ce dont nous avons généralement besoin pour induire ce type de réponse », a déclaré Lindenberg.

Les chercheurs sont enthousiastes à l’idée d’utiliser ces matériaux ultrafins, appelés matériaux bidimensionnels (2D), pour fabriquer des dispositifs optoélectroniques plus petits et capables de plus de fonctions. Ils envisagent de créer des dispositifs à partir de couches de structures 2D, comme des Legos empilés, a déclaré Lindenberg. Chaque structure 2D serait composée d’un matériau différent, aligné avec précision pour générer un type spécifique de réponse optique. Ces différentes structures et fonctionnalités peuvent être combinées dans des dispositifs compacts qui pourraient trouver des applications potentielles, par exemple dans l’imagerie médicale ou d’autres types de dispositifs optoélectroniques.

« Ce travail représente un autre élément dans notre boîte à outils pour manipuler les champs lumineux térahertz, ce qui pourrait à son tour permettre de nouvelles façons de contrôler les matériaux et les appareils de manière intéressante », a déclaré Lindenberg.