Des chercheurs domptent la lumière grâce aux “twistronics”

Science

Par Antoine Gautherie le

À l’aide d’une récente technique nommée “twistronics“, des chercheurs américains et singapouriens ont découvert une moyen contrôler les photons de la lumière avec une précision extrême, une trouvaille majeure que l’on retrouvera certainement dans la recherche et l’industrie à terme.

© Wikilmages – Pixabay

Parmi les champs de la science en pleine ébullition en ce moment, il est difficile de ne pas citer les nanotechnologies. Des chercheurs du monde entier travaillent sur des techniques permettant de concevoir des systèmes minuscules, qui seront au cœur de la science de demain. Mais pour l’instant, il s’agit beaucoup de recherche fondamentale et le grand public n’y est pas encore régulièrement confronté. C’est une discipline qui avance sûrement, mais néanmoins lentement. Cependant, la semaine dernière, un groupe de chercheurs de l’Advanced Science Research Center at The Graduate Center (CUNY ASRC), avec les universités de Singapour, Texas et Monash, a fait une découverte réellement exceptionnelle, l’une de celle que l’on retrouvera sous doute au coeur de nombreuses technologies de demain. Ils ont montré dans Science qu’à l’aide d’une technique nommée twistronics, ils sont parvenus à obtenir un contrôle extrême sur un flux de la lumière : la promesse d’avancées considérables dans un grand nombre de technologies basées sur l’optique. L’équipe s’est inspirée des travaux d’une équipe du MIT dirigée par Pablo Jarillo-Herrero et Yuan Cao. En 2018, ces derniers faisaient une découverte importante sur le graphène, l’un des jouets préférés des nano-ingénieurs.

Schéma d’une couche de graphène. © Mpfiz

Les “twistronics” sur le devant de la scène

Il présente la particularité d’être composé de 6 atomes de carbones intriqués entre eux, formant ainsi un maillage très uniforme. Ce que l’équipe de recherche a découvert, c’est qu’en superposant deux plaques de graphène et en en faisant pivoter une, le matériau commençait à présenter des propriétés étranges, jamais observées sur du graphène auparavant. À un angle dit “angle magique” de 1,1°, un courant électrique traverse le graphène sans aucune résistance. Dans d’autres configurations, les mêmes morceaux de graphites peuvent se révéler parfaitement isolants. Cette expérience a permis de montrer que la rotation relative de différents matériaux peut modifier significativement leurs propriétés.

Une illustration du concept de twistronics. – ©José-Luis Olivares, MIT

C’est de ce même constat qu’est partie l’équipe de l’ASRC. “Bien que les photons aient des propriétés très différentes de celles des électrons, nous avons été intrigués par l’émergence des twistronics, et nous nous sommes demandés si cela pouvait également receler des propriétés inhabituelles sur le transport de la lumière”, explique Andrea Alù, à la tête de l’équipe. Bien leur a pris : ils ont ainsi découvert une méthode analogue, permettant de manipuler un flux non plus d’électrons, mais les photons de la lumière. Ils ont utilisé deux plaques de trioxide de molybdenum qui, à un angle donné, permettait à la lumière de traverser sans aucune diffraction, sur une large gamme de longueurs d’ondes.

Le contrôle de la lumière, un enjeu majeur pour la recherche et pour l’industrie

La diffraction, c’est un phénomène physique qui fait qu’une onde (comme la lumière) sera altérée lorsqu’elle rencontre un obstacle ou une ouverture. C’est ce phénomène qui cause, par exemple, le halo derrière un nuage lors d’un coucher de soleil ou encore les stries colorées sur la face gravée d’un CD.

Les stries colorées sur un DVD sont une conséquence de la diffraction. © Brett Hondow

Pouvoir supprimer totalement cette diffraction constitue donc une découverte absolument majeure : la précision dans la longueur d’onde voulue et la quantité de diffraction sont des facteurs limitants majeurs pour la précision de tout instrument optique. Un bon exemple est celui du microscope : si la lumière qui traverse l’objectif est trop diffractée par les lentilles ou les miroirs, il sera impossible d’obtenir une image nette. Plus généralement, toutes les technologies qui utilisent un capteur optique de quelque sorte que ce soit bénéficieraient énormément d’un tel système. Les deux plaques se comportent comme une sorte de superfiltre capable de “nettoyer” un signal lumineux. Avec une diffraction nulle, on est en droit d’espérer un gain de précision de plusieurs ordres de grandeur pour certains appareils !

L’autre aspect très intéressant pour l’industrie, c’est que le procédé est incroyablement simple à mettre en place en théorie : un petit moteur pour tourner l’une des deux plaques, et le tour est joué ! Vous obtenez un contrôle absolu sur les propriétés de votre rayon lumineux, à condition d’avoir la précision mécanique nécessaire. Cette apparente simplicité conceptuelle fait qu’on pourrait même imaginer des premières applications dans un futur relativement proche. De plus, maintenant que le principe commence à être connu, il suffira d’explorer d’autres substances pour se constituer un catalogue de matériaux offrant un contrôle quasi-absolu sur la lumière. “Notre découverte est basée sur un matériau et une longueur d’onde spécifique, mais avec les techniques de nanofabrication avancées, on peut mettre au point de nombreuses autres plateformes qui peuvent répliquer ces propriétés” explique Guangwei Hu, de l’université de Singapour. Nous n’y sommes pas encore, mais voilà un bon exemple de technologie qui aura a coup sûr des applications très concrètes, et certainement dans un délai assez court à l’échelle de la recherche scientifique. En tout cas, on voit déjà saliver d’ici les photographes, opticiens, ingénieurs et chercheurs dont la discipline pourrait connaître une vraie révolution !