Un faisceau laser d’une finesse extrême!

Un rai de lumière  dans le visible d’un diamètre 500 fois plus petit que sa longueur d’onde!   C’est la taille (quelques nanomètres) à laquelle des ingénieurs  et chercheurs de Caltech California Institute of Technology, Pasadena, CA, U.S.A.) ont réussi à réduire la section transverse d’un faisceau de lumière laser du spectre visible ( longueur d’onde d’environ 500 nanomètres {0,5 micromètres}).  Cela permettra de transmettre plus de données dans les fibres optiques, de miniaturiser les dispositifs de contrôle nécessaires à ces transmissions et de réaliser des systèmes de mémoire magnétique d’une densité d’inscription  inégalée.  Et pourtant, les lois de la physique indiquent qu’on ne peut diminuer la taille d’un faisceau lumineux   au-delà de sa longueur d’onde.

schematic focusing device_with_dimensions_500

Fig. 1 Vue schématique en perspective (a), de dessus (b) et latérale (c) de la structure composée de couches d’or inférieure et supérieure séparées par une couche de silice SiO2. Typiquement h = 15nm, w= 38nm, l=550nm. Crédit Nature Photonics.

Les ondes lumineuses peuvent transmettre des données avec une efficacité bien plus élevée que les signaux électriques dans les conducteurs métalliques. En effet, en raison des fréquences ( ≈ 1014 Hz, soit 108 GHz;  1 GHz = 1000 MHz)  extrêmement  élevées de la lumière, la bande passante de la transmission est sans rapport avec celles (≈ qq Ghz ) des signaux électriques pouvant se propager sans trop de pertes dans des câbles coaxiaux.

C’est pour cela que, dans le monde actuel, il y a déjà des milliers de kilomètres de fibres optiques qui transmettent communications téléphoniques, images, vidéos , et même des virus informatiques….

Or la production et la circulation de données numériques de toutes sortes ne fait qu’augmenter. Concentrer les ondes lumineuses dans de plus petits espaces permettrait d’augmenter le flux de données dans les fibres optiques, mais aussi de réaliser des dispositifs de contrôle plus compacts et moins gourmands en énergie.

Cet exploit semble, à première vue, irréalisable à tout physicien. La longueur d’onde de la lumière constitue  une valeur limite due à la  diffraction à partir de laquelle on ne peut plus focaliser la lumière.

 En effet, si on envoie un faisceau de lumière dans un orifice de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde de celle-ci, il se produit, comme pour toute onde,  le phénomène de diffraction : à la sortie, le faisceau s’étale angulairement et est donc plus large que l’orifice. Plus la taille du trou diminue, plus l’effet de la diffraction est intense.

Les chercheurs du Caltech ont contourné magistralement cette difficulté.  A partir d’une mince plaque de silice (SiO2 ) recouverte d’or,  ils ont  fabriqué une structure métal- isolant-métal en forme de boîte rectangulaire de quelques micromètres de long s’amincissant à son extrémité (Fig.  1 ).

La lumière pénétrant dans cette structure va  exciter aux interfaces silice-or ce que les physiciens nomment des oscillations de plasmons.

Quand on envoie de la lumière sur une interface métal – isolant, les photons interagissent avec les électrons du métal qui exécutent des oscillations collectives. L’onde lumineuse ne peut pénétrer dans le métal, mais elle se couple à l’interface métal-diélectrique avec les électrons du métal pour créer des ondes de surface qu’on appelle plasmons polaritons de surface (PPS, en anglais SPP).

Ces PPS se propagent à travers le guide d’onde que constitue les deux faces dorées séparées par une couche de silice, sont focalisés dans la partie effilée du guide et réémettent une onde lumineuse à la sortie de la pointe.

La figure 2 est  une image du dispositif de nano-focalisation obtenue au microscope électronique à balayage (MEB).

Dans un MEB (en anglais SEM, scan electronic microscope) un fin faisceau d’électrons est projeté sur l’échantillon. L’interaction entre le faisceau et l’échantillon génére des électrons secondaires de basse énergie qui sont détectés. Cette action a lieu en chaque point de l’échantillon balayé par le faisceau. Et c’est à l’aide du signal d’électrons secondaires que l’on reconstitue chaque point de l’image.

 

fig.2 focusing device_with_dimensions_500-1

Fig.2 On remarque sur cette image la partie adaptatrice en 3 dimensions
en pointe effilée où peuvent se concentrer les PPS. Crédit Nature Photonics.

Le rendement lumineux ( c’est le rapport entre l’intensité de lumière en sortie et celle injectée à l’entrée) de ce dispositif  est élevé, il est de 50% pour une focalisation de quelques nanomètres, mais il atteint 70% pour une focalisation légèrement moins élevée, obtenue avec  une section  finale de 14x 80 nanomètres.

Une des premières applications de ce dispositif sera l’enregistrement magnétique à haute densité (voir Le blog des sciences 26 mai 2012: L’enregistrement magnétique rendu des centaines de fois plus rapide ). On pourra ainsi atteindre des densités de mémoires plusieurs dizaines de fois plus élevées que celles des disques durs actuels.

Mais, bien sûr, c’est dans la transmission de données  et les télécommunications que l’invention va avoir le plus d’avenir. Comme l’informatique fait de plus en plus appel à l’optique, il ne serait pas étonnant de trouver bientôt dans nos ordinateurs un dispositif de ce genre destiné à concentrer et contrôler la lumière à une échelle nanométrique.

Ce dispositif a été fabriqué avec des techniques déjà employées pour la nano-fabrication  dans  l’industrie des semi-conducteurs en utilisant une plaquette de silice qui y est couramment disponible.

La vidéo ci-dessous montre le dernier stade de fabrication du focalisateur nano-métrique. On utilise la technique dite des faisceaux d’ions focalisés.

Le principe de fonctionnement du faisceau d’ions localisé (en anglais FIB, focused ion beam) est le même que pour le microscope électronique à balayage, les électrons étant remplacés par des ions gallium. Ceux-ci, projetés sur l’échantillon,  pulvérisent les atomes de surface de l’échantillon. Comme source d’ions, on utilise du gallium liquide en contact avec une aiguille de tungstène chauffée. On obtient une focalisation du faisceau d’ions de quelques nanomètres.

 

Sous vide, un jet d’atomes de gallium de haute énergie pulvérise les couches d’or et de silice que l’on doit éliminer pour obtenir la forme finale souhaitée. Crédit Nature Photonics.

 

 

Pour en savoir plus :  – Caltech News
– Nanofocusing in a metal–insulator–metal gap plasmon waveguide with a three-dimensional linear taper.    Hyuck Choo, Myung-Ki Kim, Matteo Staffaroni, Tae Joon Seok, Jeffrey Bokor, Stefano Cabrini, P. James Schuck, Ming C. Wu and Eli Yablonovitch.          Nature Photonics, nov. 2012, 838, DOI:10.1038/NPHOTON.2012.277