Un cristal lamellaire bidimensionnel - composé de couches atomiquement minces d'iodure de plomb (PbI2) pourrait être utilisé pour fabriquer une nouvelle génération de circuits utilisant la lumière et les vibrations mécaniques (plutôt que les électrons) pour transmettre des informations dans la gamme de fréquences térahertz.
Des chercheurs du Centre brésilien de recherche en énergie et matériaux (CNPEM), en partenariat avec des collègues de l'Université de Lille (France) et d'autres institutions internationales, ont étudié cette technologie et publié leurs résultats dansCommunications naturelles.
La bande térahertz correspond à une région de faible-énergie du spectre électromagnétique située entre l'infrarouge et les micro-ondes. Malgré cela, il est considéré comme crucial pour le développement de technologies de communication à haut débit-.
"Aujourd'hui, le Wi-Fi et la 5G fonctionnent à des fréquences de quelques gigahertz (GHz, 109hertz). Mais il existe un intérêt à évoluer vers des centaines de gigahertz, voire des térahertz (1012hertz), car plus la fréquence est élevée, plus la bande passante et la capacité de transmission des données sont grandes", explique Raul de Oliveira Freitas, responsable de la ligne de lumière Imbuia au Laboratoire brésilien de lumière synchrotron (LNLS-CNPEM) et coordinateur de l'étude.
L'étude a étudié comment produire un cristal en couches de haute-qualité capable d'agir comme un guide d'onde pour le rayonnement dans cette gamme de fréquences en utilisant de l'iodure de plomb, un matériau peu coûteux.
Cette plateforme pourrait fonctionner comme un résonateur, qui confine la lumière et sélectionne des fréquences spécifiques en amplifiant certains modes d'oscillation. Il pourrait également fonctionner comme un séparateur de faisceau, qui divise un faisceau de lumière en deux ou plusieurs chemins pour permettre au signal optique d'être distribué, ou comme un modulateur, qui modifie les propriétés de la lumière, telles que l'intensité, la phase ou la fréquence, pour coder des informations.
L’aspect le plus innovant du travail est la capacité à confiner la lumière dans des volumes bien plus petits que sa longueur d’onde.
"Dans la gamme térahertz, la lumière a des longueurs d'onde de plusieurs centaines de micromètres. Nous confinons cette lumière dans des régions submicrométriques", explique Freitas.
Ceci est rendu possible par la formation de phonons-polaritons, qui sont des quasiparticules hybrides qui combinent les vibrations des atomes du réseau cristallin (phonons) avec la lumière.
"C'est comme si le phonon était habillé de lumière, formant une quasi-particule aux propriétés uniques. Les caractéristiques de propagation et l'interaction avec la matière de ces quasi-particules diffèrent à la fois de la lumière isolée et des phonons isolés", commente le chercheur.
Le confinement extrême de la lumière implique de fonctionner au-delà de la limite de diffraction, ce qui restreint la résolution des systèmes optiques conventionnels.
"En optique classique, il n'est pas possible d'observer ou de manipuler des structures beaucoup plus petites que la longueur d'onde de la lumière. Avec les polaritons, nous avons réussi à dépasser cette limite", explique Freitas.
Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé la microscopie à balayage optique en champ proche de type-à diffusion-(s-SNOM), une technique qui utilise des pointes métalliques à l'échelle nanométrique pour comprimer extrêmement les champs électromagnétiques.
"La pointe agit comme une antenne et crée un point chaud de champ électrique dont les dimensions sont de l'ordre de dizaines de nanomètres, quelle que soit la longueur d'onde d'origine. Cela permet une réduction drastique de l'échelle spatiale de la lumière", explique Freitas.
"De plus, la densité du champ électrique dans les sondes s-SNOM peut atteindre 105fois plus élevé que dans les ondes libres, ce qui explique la supériorité de la technique pour la recherche nanophotonique. Nous avons pu confiner une onde de 200 micromètres dans un volume inférieur à 50 nanomètres. »
Une autre découverte clé de l'étude était le facteur de qualité élevée des polaritons de phonons - dans le PbI.2. Le facteur de qualité est une mesure de la durée pendant laquelle l'oscillation persiste avant de se dissiper.
"Plus le système oscille longtemps, plus le facteur de qualité est élevé. PbI2de manière comparable au nitrure de bore hexagonal (hBN), qui est le matériau de référence dans le domaine infrarouge", explique Freitas.
Un substitut simple et durable
Contrairement à l’iodure de plomb, le nitrure de bore hexagonal (hBN) est un matériau extrêmement difficile à synthétiser, nécessitant des conditions de pression et de température extrêmes. Même après plus de deux décennies de recherche, peu de groupes dans le monde sont parvenus à produire ce matériau de haute qualité. De plus, ses propriétés le rendent adapté à la gamme infrarouge moyenne-mais pas à la gamme térahertz.
L’iodure de plomb, quant à lui, contient deux précurseurs naturels peu coûteux : l’iode et le plomb. Il peut également être cristallisé de manière extrêmement simple.
"Il suffit de dissoudre le sel dans l'eau jusqu'à obtenir une solution sursaturée et de le chauffer à environ 80 degrés Celsius-, ce qui peut être fait sur une cuisinière domestique. Pendant le refroidissement, le matériau cristallise, formant des structures qui peuvent être collectées", explique le chercheur.
La capacité de manipuler la lumière à l’échelle nanométrique ouvre la voie à des circuits photoniques intégrés capables de remplacer ou de compléter les circuits électroniques.
"Actuellement, les informations sont transmises au sein des appareils via des électrons. L'utilisation de la lumière peut considérablement augmenter la vitesse et réduire les pertes. C'est analogue à ce qui s'est passé dans le domaine des télécommunications", explique Freitas.
"Avant, nous utilisions des câbles électriques ; aujourd'hui, nous utilisons des fibres optiques, qui permettent des vitesses beaucoup plus élevées. Le même principe peut être appliqué à l'intérieur des puces. Et, en plus des vitesses plus élevées, il y a des économies d'énergie : la lumière subit beaucoup moins de pertes que les courants électriques. Cela peut donner lieu à des solutions plus efficaces et durables."
