Un comportement lumineux inattendu peut être utilisé pour améliorer les communications optiques et les capteurs


Recherche « extraordinaire » : un comportement lumineux inattendu peut être utilisé pour améliorer la communication optique et les capteurs

L’équipe du NIST a dirigé la lumière dans une couche ultra-mince de nitrure de silicium gravée de rainures pour créer un réseau de diffraction. Si l’espacement entre les rainures et la longueur d’onde de la lumière sont choisis avec soin, l’intensité décroît beaucoup plus lentement, linéairement plutôt qu’exponentiellement. Crédit photo : S Kelley/NIST

Faites briller une lampe de poche dans l’eau trouble de l’étang et le faisceau ne pénétrera pas très loin. L’absorption et la diffusion réduisent rapidement l’intensité du faisceau lumineux, qui perd un pourcentage fixe d’énergie par unité de distance parcourue. Cette décroissance – connue sous le nom de décroissance exponentielle – s’applique à la lumière traversant tout liquide ou solide qui absorbe et diffuse facilement l’énergie électromagnétique.

Mais ce n’est pas ce que les chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont lorsqu’ils ont étudié un système miniature de diffusion de la lumière – une couche ultra-mince de nitrure de silicium fabriquée sur une puce et gravée avec une série d’ondes périodiques étroitement espacées. rainures. Les rainures créent un réseau – un dispositif qui diffuse différentes couleurs de lumière à différents angles – tandis que le nitrure de silicium confine et dirige la lumière entrante autant que possible sur la longueur de 0,2 centimètre du réseau.

La grille diffuse la lumière – la plupart vers le haut, perpendiculairement à l’appareil – un peu comme l’eau d’un étang. Et dans la plupart de leurs expériences, les scientifiques du NIST ont observé exactement cela : l’intensité de la lumière était atténuée de manière exponentielle et ne pouvait éclairer que les premières rainures du réseau.

Cependant, lorsque l’équipe du NIST a ajusté la largeur des rainures pour qu’elle soit presque égale à la distance entre elles, les scientifiques ont trouvé quelque chose de surprenant. Lorsqu’ils choisissaient avec soin une longueur d’onde spécifique de lumière infrarouge, l’intensité de cette lumière diminuait beaucoup plus lentement au fur et à mesure qu’elle se déplaçait le du réseau. L’intensité a diminué de façon linéaire avec la distance parcourue plutôt que de façon exponentielle.

Les scientifiques ont également été fascinés par une propriété de la lumière infrarouge diffusée vers le haut par le réseau. Chaque fois que l’intensité lumineuse se déplaçait le long du réseau d’une diminution exponentielle à une diminution linéaire, la lumière diffusée vers le haut formait un large faisceau qui était de la même intensité partout. Un large faisceau de lumière avec une intensité uniforme est un outil hautement souhaitable pour de nombreuses expériences sur les nuages ​​​​atomiques.

L’ingénieur électricien et informatique Sangsik Kim n’avait jamais rien vu de tel. Lorsqu’il a observé pour la première fois le comportement étrange dans les simulations qu’il a effectuées au NIST au printemps 2017, lui et le scientifique vétéran du NIST, Vladimir Aksyuk, craignaient d’avoir fait une erreur. Mais deux semaines plus tard, Kim a vu le même effet dans des expériences de laboratoire utilisant de vrais réseaux de diffraction.







L’animation montre l’expérience du NIST sur la modification de l’absorption de la lumière. Crédit photo : S Kelley/NIST

Si la longueur d’onde se déplaçait même légèrement, ou si l’espacement entre les rainures changeait même légèrement, le système revenait à une décroissance exponentielle.

Il a fallu plusieurs années à l’équipe du NIST pour proposer une théorie qui pourrait expliquer l’étrange phénomène. Les chercheurs ont découvert qu’elle réside dans l’interaction complexe entre la structure du réseau, la lumière se déplaçant vers l’avant, la lumière diffusée vers l’arrière à partir des rainures du réseau et la lumière diffusée vers le haut. À un point critique connu sous le nom de point d’exception, tous ces facteurs conspirent pour modifier considérablement la perte d’énergie lumineuse, la faisant passer d’une décroissance exponentielle à une décroissance linéaire.

Les chercheurs ont été surpris de constater que le phénomène qu’ils ont observé avec la lumière infrarouge est une propriété universelle de tout type d’onde se propageant à travers une structure périodique avec perte, qu’elle soit acoustique, infrarouge ou radio.

Cette découverte pourrait permettre aux chercheurs de transmettre des faisceaux de lumière d’un dispositif à puce à un autre sans perdre autant d’énergie, ce qui pourrait être une aubaine pour les communications . Le faisceau large et uniforme formé par la pointe extraordinaire est également idéal pour étudier un atomique. La lumière fait sauter les atomes d’un niveau d’énergie à un autre ; Sa largeur et son intensité uniforme permettent au faisceau d’interroger les atomes en mouvement rapide sur une plus longue période de temps. Mesurer avec la fréquence de la lumière émise lors de telles transitions atomiques est une étape importante dans la construction d’horloges atomiques très précises et la création de systèmes de navigation précis basés sur des vapeurs atomiques piégées.

Plus généralement, dit Aksyuk, le faisceau de lumière uniforme permet l’intégration de dispositifs photoniques portables à base de puces dans des expériences optiques à grande échelle, réduisant leur taille et leur complexité. Dès que le faisceau lumineux uniforme touche une vapeur atomique, par exemple, l’information peut être renvoyée à la puce photonique et y être traitée.

Une autre application potentielle est la surveillance de l’environnement. Étant donné que la conversion de l’absorption exponentielle à l’absorption linéaire est soudaine et extrêmement sensible à la longueur d’onde sélectionnée de la lumière, elle pourrait constituer la base d’un détecteur de haute précision de polluants traces. Lorsqu’un polluant à la surface modifie la longueur d’onde de la lumière dans le réseau, le point exceptionnel disparaît brusquement et l’intensité lumineuse passe rapidement d’une décroissance linéaire à une décroissance exponentielle, a déclaré Aksyuk.

Les chercheurs, dont Aksyuk et Kim, qui sont maintenant à la Texas Tech University à Lubbock, ont rapporté leurs découvertes en ligne dans le numéro du 21 avril. nanotechnologie de la nature.


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Plus d’information:
Alexander Yulaev, Des points extraordinaires dans les médias avec perte conduisent à une pénétration profonde des ondes polynomiales avec une perte de puissance spatialement uniforme, nanotechnologie de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41565-022-01114-3. www.nature.com/articles/s41565-022-01114-3

Fourni par l’Institut national des normes et de la technologie

Citation: Un comportement lumineux inattendu peut être exploité pour améliorer les communications optiques et les capteurs (21 avril 2022) Extrait le 21 avril 2022 de https://phys.org/news/2022-04-unexpected-behavior-harnessed-optical-sensors.html

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