Selon un rapport publié dans le dernier numéro de la revue *Nature Nanotechnology*, des chercheurs de l'Université technique de Graz en Autriche, de l'Université Harvard et de l'Université du Texas à Austin ont développé une nouvelle structure métasurface qui combine une couche semi-conductrice avec des nanostructures, augmentant l'efficacité de conversion optique d'environ 72 000 fois par rapport aux matériaux précédents. Cette avancée pourrait favoriser le développement des télécommunications et des technologies quantiques.
Les réseaux de communication par fibre optique modernes exploitent les propriétés de propagation linéaire de la lumière pour transmettre des informations. Cependant, pour des applications telles que le calcul complexe, les technologies quantiques et la cryptographie quantique, ainsi que les peignes de fréquences optiques utilisés pour les mesures de haute précision, la propagation linéaire de la lumière ne suffit pas ; il est nécessaire d'exploiter la polarisation non linéaire pour permettre aux photons d'interagir entre eux et d'échanger des informations.
Traditionnellement, on utilise généralement des structures cristallines telles que le niobate de lithium pour réaliser le couplage non linéaire des ondes lumineuses. Cependant, cette méthode nécessite un volume de matériau important et une énergie lumineuse élevée, ce qui limite la miniaturisation et l'application des dispositifs associés. Le point de départ de cette recherche est un matériau semi-conducteur spécial développé par l'équipe. Grâce à la technique d'épitaxie par jets moléculaires, ils ont préparé des couches semi-conductrices à l'échelle nanométrique d'arséniure de gallium et d'arséniure de gallium-aluminium, contenant des puits quantiques asymétriquement couplés. Les puits quantiques peuvent confiner le mouvement des électrons, les amenant à former des niveaux d'énergie quantifiés. En raison de la conception asymétrique des puits quantiques, les électrons ont tendance à se déplacer dans une direction lorsqu'ils sont exposés à la lumière. L'oscillation électronique non linéaire qui en résulte permet une interaction plus efficace entre différentes ondes lumineuses.
Cependant, pour exploiter pleinement le potentiel de ce matériau, la lumière doit se propager parallèlement à la couche semi-conductrice. Pour résoudre ce problème, l'équipe a construit une métasurface au-dessus de la couche semi-conductrice. La métasurface est composée de nanopiliers de dioxyde de titane disposés selon un motif en damier, chaque nanopilier ne mesurant que quelques centaines de nanomètres. Elle peut modifier la direction de propagation de la lumière, la faisant se propager le long de la couche semi-conductrice, exploitant ainsi pleinement les propriétés non linéaires du matériau.
Les expériences ont révélé que lorsque la lumière frappe le dispositif verticalement, en raison de la symétrie de la structure géométrique, les champs lumineux s'annulent mutuellement, rendant la génération de second harmonique presque impossible. Les chercheurs n'ont eu qu'à incliner le dispositif d'environ 0,3 degré pour briser cette symétrie, permettant ainsi une génération efficace de polarisation non linéaire.
Une efficacité de conversion plus élevée signifie qu'à l'avenir, il sera possible de fabriquer des dispositifs optiques plus petits et plus économes en énergie, par exemple en réduisant la consommation d'énergie pour la transmission d'informations entre ordinateurs au sein des centres de données. Cette technologie pourrait également être appliquée dans des domaines tels que la photonique intégrée et le traitement de données à grande échelle.