Des scientifiques démontrent des guides d’ondes pérovskites innovants avec effet laser de bord

Des circuits photoniques intégrés fonctionnant à température ambiante et associés à des effets optiques non linéaires pourraient révolutionner le traitement du signal classique et quantique. Des scientifiques de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie, en collaboration avec d’autres institutions de Pologne, d’Italie, d’Islande et d’Australie, ont démontré la création de cristaux de pérovskite aux formes prédéfinies qui peuvent servir de guides d’ondes, de coupleurs, de séparateurs et de modulateurs dans la photonique non linéaire.

Les résultats de la recherche, publiés dans la revue Matériaux naturelsdécrivent la fabrication de ces structures innovantes et l’effet laser de bord. Cet effet est notamment associé à la formation du condensat d’excitons-polaritons, qui sont des quasiparticules se comportant en partie comme la lumière et en partie comme la matière.

Barbara Piętka, professeure à la Faculté de physique de l’Université de Varsovie, l’une des initiatrices du projet et responsable du processus de recherche, souligne : « Les perovskites présentent une grande polyvalence : des couches polycristallines, des nano- et micro-cristaux aux cristaux massifs. Ils peuvent être utilisés dans diverses applications, des cellules solaires aux lasers.

« Certains, comme le CsPbBr₃ (bromure de césium-plomb) que nous avons utilisé sont également des semi-conducteurs idéaux pour les applications optiques en raison de leur énergie de liaison d’excitons élevée et de leur force d’oscillateur. Ces effets permettent d’améliorer les interactions lumineuses, réduisant considérablement l’énergie requise pour l’amplification non linéaire de la lumière.

Les chercheurs ont appliqué des méthodes de synthèse reproductibles et évolutives pour obtenir des cristaux de pérovskite aux dimensions et formes précisément définies. Ils ont utilisé une approche microfluidique, où les cristaux sont cultivés à partir d’une solution dans des moules polymères étroits sur lesquels on peut imprimer n’importe quelle forme à partir d’un modèle.

Un élément clé a été de contrôler la concentration de la solution et les températures de croissance tout en maintenant une atmosphère de vapeurs de solvant saturées. Cette approche, combinée à l’utilisation de modèles d’arséniure de gallium presque atomiquement lisses fabriqués à l’aide de la lithographie par faisceau d’électrons et de la gravure au plasma au réseau de recherche Łukasiewicz – Institut de microélectronique et de photonique sous la direction d’Anna Szerling, a permis de produire des monocristaux de haute qualité.

De cette façon, CsPbBr₃ Les cristaux peuvent être façonnés dans n’importe quelle forme, des angles simples aux courbes douces, ce qui constitue une véritable prouesse dans le monde des matériaux cristallins. Ils peuvent être fabriqués sur n’importe quel substrat, améliorant ainsi leur compatibilité avec les dispositifs photoniques existants.

Mateusz Kędziora, doctorant à la Faculté de physique de l’Université de Varsovie et premier auteur de l’article qui a développé les méthodes de synthèse cristalline, ajoute : « Ces cristaux, en raison de leur haute qualité, forment des résonateurs de type Fabry-Pérot sur leurs parois, permettant d’observer de forts effets non linéaires sans avoir besoin de miroirs de Bragg externes », ce qui offre de l’espoir pour l’application de ces matériaux dans les circuits photoniques intégrés.

La démonstration de l’émission laser polaritonique à partir des interfaces et des coins des microfils marque une autre avancée.

« La longueur d’onde de la lumière émise est modifiée par les effets des fortes interactions lumière-matière, ce qui indique que l’émission est due à la formation d’un condensat de Bose-Einstein hors équilibre d’excitons-polaritons. Il ne s’agit donc pas d’un effet laser conventionnel dû à l’effet Purcell (couplage faible), mais d’une émission provenant d’un condensat dans le régime de fort couplage lumière-matière », explique Piętka.

« La forte cohérence entre les différents signaux de la lumière émise par les bords et les coins, confirmée par photoluminescence en champ lointain et spectroscopie à résolution angulaire, indique la formation d’un condensat de polaritons cohérent et étendu macroscopiquement », ajoute le Dr Helgi Sigurðsson de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie et de l’Institut des sciences de l’Université d’Islande à Reykjavik.

Une confirmation supplémentaire des effets non linéaires est l’augmentation de l’énergie avec l’augmentation de la population d’un mode donné (connue sous le nom de décalage vers le bleu), qui résulte des interactions au sein du condensat. Grâce aux propriétés uniques des structures de perovskite, le condensat peut parcourir de longues distances au sein des cristaux et la lumière émise peut se propager à travers les espaces d’air jusqu’aux structures voisines.

« Nos simulations montrent comment les résonateurs formés naturellement pour les modes lumineux et la diffusion affectent l’émission des bords et des courbures dans les cristaux », ajoute le Dr Andrzej Opala de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie et de l’Institut de physique de l’Académie polonaise des sciences, l’un des principaux auteurs de l’article et le développeur du modèle théorique montrant comment l’ouverture numérique et le confinement spatial dans les microfils affectent les effets observés.

« De plus, grâce aux calculs basés sur la résolution des équations de Maxwell dans des structures tridimensionnelles aux formes complexes, nous avons pu visualiser les modes photoniques et montrer comment leur image se forme dans le champ lointain », explique le professeur Tomasz Czyszanowski de l’Université de technologie de Lodz, spécialisé dans les simulations de structures photoniques et laser. Cette découverte permet de les utiliser dans des systèmes compacts « sur puce » capables de gérer à la fois des tâches informatiques classiques et quantiques.

« Nous prévoyons que nos découvertes ouvriront la porte à de futurs dispositifs capables de fonctionner au niveau de photons uniques, intégrant des nanolasers avec des guides d’ondes et d’autres éléments sur une seule puce », conclut le professeur Michał Matuszewski du Centre de physique théorique de l’Académie polonaise des sciences.

Les perovskites pourraient jouer un rôle clé dans le développement futur des technologies optiques, et les découvertes des physiciens de l’UW pourraient augmenter considérablement les chances d’utiliser des cristaux de perovskite dans la photonique non linéaire fonctionnant à température ambiante. De plus, les structures développées pourraient être compatibles avec la technologie du silicium, améliorant encore leur potentiel de commercialisation.