Une équipe de chercheurs de l’université de Stanford est parvenue à contrôler la lumière à l’échelle nanométrique. Grâce à un dispositif à la fois simple et révolutionnaire, ils sont parvenus à manipuler avec une précision extrême la couleur et l’intensité de la lumière en utilisant… le son. Ce progrès ouvre des perspectives fascinantes dans de nombreux domaines, de l’affichage holographique à la réalité virtuelle, en passant par les réseaux neuronaux optiques.
Depuis des décennies, la lumière fascine les scientifiques, autant par sa nature ondulatoire que par la difficulté à la contrôler à très petite échelle. Dans le monde de l’optique, miniaturiser les composants permet d’accroître la vitesse, la précision et l’efficacité des dispositifs. Mais moduler la lumière à l’échelle nanométrique – bien en dessous de sa propre longueur d’onde, qui est de l’ordre de 500 nanomètres – restait jusqu’à présent un défi majeur.
L’utilisation du son pour modifier la lumière, appelée acousto-optique, est connue depuis longtemps. Cependant, elle a toujours nécessité des dispositifs relativement volumineux, car les déplacements produits par les ondes acoustiques sont infimes : environ mille fois plus petits que la longueur d’onde de la lumière. Pour amplifier ces effets, les anciens dispositifs devaient être grands, donc lents – une contrainte incompatible avec les besoins actuels en vitesse et en compacité. C’est ici que l’innovation de l’équipe de Stanford, dirigée par le professeur Mark Brongersma et le doctorant Skyler Selvin, change la donne. Leur dispositif repose sur une architecture aussi élégante qu’efficace : une fine couche de polymère à base de silicone, déposée sur un miroir en or, elle-même surmontée d’un réseau de nanoparticules d’or.
La clé réside dans l’épaisseur de la couche de polymère, contrôlée avec une précision de l’ordre de quelques nanomètres (entre 2 et 10 nm). Ce film élastique agit comme un ressort : lorsqu’il est soumis à des ondes acoustiques très haute fréquence (de l’ordre du gigahertz), il se contracte et se dilate imperceptiblement. Ces vibrations minuscules suffisent à modifier l’espacement entre les nanoparticules d’or et le miroir – un changement infime, mais aux effets spectaculaires sur la lumière. Quand une lumière blanche est projetée dans ce système, la lumière est confinée entre les nanoparticules et le miroir. Or, à cette échelle, même des variations d’un nanomètre peuvent modifier radicalement la manière dont la lumière est diffusée. En ajustant les vibrations acoustiques, les chercheurs peuvent ainsi faire varier la couleur et l’intensité de la lumière émise par chaque nanoparticule.
Le résultat est fascinant : dans le noir, les nanoparticules brillent comme un ciel étoilé, chacune scintillant d’une couleur différente. Le miroir doré réfléchit la lumière non absorbée, renforçant le contraste et donnant à chaque point lumineux un éclat saisissant. Ce niveau de modulation optique a surpris même les chercheurs. « Je pensais que ce serait un effet très subtil, mais j’ai été stupéfait par l’ampleur du changement », confie Brongersma. L’efficacité de ce système démontre à quel point l’interaction entre ondes mécaniques et lumière peut être exploitée à des échelles jusqu’ici inaccessibles. Au-delà de la démonstration de principe, les implications de cette technologie sont considérables. Elle pourrait permettre la création de nouveaux types d’écrans ultra-minces, capables d’afficher des images avec une richesse de couleur et une profondeur inégalées. Des casques de réalité virtuelle ou augmentée plus légers, plus précis et moins énergivores pourraient également en bénéficier.
Dans le domaine des communications optiques, cette modulation rapide et fine de la lumière pourrait être utilisée pour transmettre davantage d’informations, plus vite et avec une efficacité énergétique accrue. Enfin, cette technologie ouvre la voie à des réseaux neuronaux photoniques, utilisant la lumière plutôt que l’électricité pour effectuer des calculs – une piste prometteuse pour l’intelligence artificielle de demain.
Stanford University : https://cars.stanford.edu/news/nanodevice-uses-sound-sculpt-light-paving-way-better-displays-and-imaging
