Les scientifiques conçoivent une lentille optique fonctionnelle à partir de matériaux 2D

En optique, l'ère des lentilles en verre est peut-être en train de s'estomper.

Ces dernières années, des physiciens et des ingénieurs ont conçu, construit et testé différents types de matériaux ultraminces pouvant remplacer les lentilles de verre épaisses utilisées aujourd'hui dans les caméras et les systèmes d'imagerie. Il est essentiel de noter que ces lentilles artificielles, connues sous le nom de métaux, ne sont pas en verre. Au lieu de cela, ils sont constitués de matériaux construits à l’échelle nanométrique sous forme de réseaux de colonnes ou de structures en forme d’ailerons. Ces formations peuvent interagir avec la lumière incidente en la dirigeant vers un point focal unique à des fins d'imagerie.

Cependant, même si les métaux sont beaucoup plus minces que les lentilles de verre, ils reposent toujours sur des structures à "ratio d'aspect élevé", dans lesquelles les structures en colonnes ou en nageoires sont beaucoup plus hautes que larges, les rendant ainsi susceptibles de s'effondrer et de tomber. De plus, ces structures ont toujours été proches de la longueur d'onde de la lumière avec laquelle elles interagissent en épaisseur, jusqu'à maintenant.

Dans un article publié le 8 octobre dans le journal Nano Lettres, une équipe de l’Université de Washington et de l’Université nationale Tsing Hua de Taïwan ont annoncé la mise en place de métaux fonctionnels d’un dixième à la moitié de l’épaisseur des longueurs d’onde de la lumière qu’ils concentrent. Leurs métaux, construits à partir de matériaux à deux dimensions en couches, avaient une épaisseur de 190 nanomètres, soit moins de 1/100 000ème de pouce.

"C'est la première fois que quelqu'un démontre qu'il est possible de créer des métaux à partir de matériaux 2D", a déclaré Arka Majumdar, auteur principal et co-correspondant, professeur adjoint de physique et de génie électrique et informatique à l'Université de Washington.

Leurs principes de conception peuvent être utilisés pour la création de métaux avec des fonctionnalités plus complexes et ajustables, a ajouté Majumdar, également chercheur au sein du corps professoral de l'Institut des sciences et de l'ingénierie moléculaire de l'UW.

L’équipe de Majumdar étudie depuis des années les principes de conception des métaux, et a déjà construit des métaux pour l’imagerie couleur. Cependant, le défi de ce projet consistait à surmonter les limites inhérentes à la conception des métaux: pour qu’un matériau metalens puisse interagir avec la lumière et obtenir une qualité d’imagerie optimale, il devait présenter une épaisseur sensiblement égale à celle de la longueur d’onde de la lumière. En termes mathématiques, cette restriction garantit la possibilité de réaliser une plage de déphasage allant de zéro à deux pi, ce qui garantit la conception de tout élément optique. Par exemple, un métal pour une onde lumineuse de 500 nanomètres – qui dans le spectre visuel est une lumière verte – devrait avoir une épaisseur d'environ 500 nanomètres, bien que cette épaisseur puisse diminuer à mesure que l'indice de réfraction du matériau augmente.

Majumdar et son équipe ont été capables de synthétiser des métaux fonctionnels beaucoup plus minces que cette limite théorique – un dixième à la moitié de la longueur d'onde. Premièrement, ils ont construit les métaux à partir de feuilles de matériaux 2D en couches. L'équipe a utilisé des matériaux 2D largement étudiés, tels que le nitrure de bore hexagonal et le disulfure de molybdène. Une seule couche atomique de ces matériaux fournit un très petit déphasage, inadapté à la lentille efficace. L'équipe a donc utilisé plusieurs couches pour augmenter l'épaisseur, bien que l'épaisseur reste trop faible pour atteindre un déphasage complet de deux pi.

"Nous devions commencer par déterminer quel type de conception donnerait la meilleure performance compte tenu de la phase incomplète", a déclaré le co-auteur, Jiajiu Zheng, étudiant au doctorat en génie électrique et informatique.

Pour combler ce manque, l'équipe a utilisé des modèles mathématiques initialement conçus pour l'optique à cristaux liquides. Ces éléments, associés aux éléments structurels de metalens, ont permis aux chercheurs d’atteindre un rendement élevé, même si l’ensemble du déphasage n’est pas couvert. Ils ont testé l'efficacité des métaux en l'utilisant pour capturer différentes images de test, notamment de la Mona Lisa et d'une lettre de type W. L'équipe a également montré comment l'étirement des métaux pouvait ajuster la longueur focale de la lentille.

En plus d’atteindre une approche totalement nouvelle de la conception de métaux à un niveau sans précédent, l’équipe estime que ses expériences montrent la promesse de créer de nouveaux dispositifs pour l’imagerie et l’optique entièrement à partir de matériaux 2D.

"Ces résultats ouvrent une toute nouvelle plateforme pour étudier les propriétés des matériaux 2D, ainsi que pour la construction de dispositifs nanophotoniques entièrement fonctionnels entièrement fabriqués à partir de ces matériaux", a déclaré Majumdar. De plus, ces matériaux peuvent être facilement transférés sur n’importe quel substrat, y compris les matériaux flexibles, ouvrant ainsi la voie à la photonique flexible.

Explorer plus loin:
Optique hybride: mise au point d'une imagerie couleur utilisant des métaux ultra-fins

Plus d'information:
Chang-Hua Liu et al. Ultrathin van der Waals Metalenses, Nano Lettres (2018). DOI: 10.1021 / acs.nanolett.8b02875