Ultrafast tuning of the focusing efficiency of a nonlinear atomically thin lens

La lumière est l'outil que nous utilisons pour voir le monde, pour capturer des images et pour transmettre des informations. Pendant des siècles, les dispositifs qui courbent et focalisent cette lumière ont reposé sur le volume et le poids. Les lentilles de verre traditionnelles sont des pièces de matériau épaisses et courbes qui occupent de l'espace et ne peuvent pas être facilement réduites pour s'insérer dans les minuscules puces qui alimentent nos appareils électroniques modernes. Pour rendre les systèmes optiques plus petits et plus rapides, les scientifiques se sont tournés vers des surfaces plates composées de motifs microscopiques, appelées métasurfaces, qui peuvent guider la lumière sans avoir besoin d'une courbure pesante. Parmi celles-ci, une conception spécifique appelée plaque de Fresnel agit comme une lentille en utilisant une série d'anneaux concentriques pour concentrer la lumière en un seul point. Bien que ces lentilles plates puissent être incroyablement fines, elles ont historiquement été des objets statiques ; une fois construites, leur capacité à focaliser la lumière est fixe, et modifier leurs performances nécessite des ajustements mécaniques lents et volumineux ou des courants électriques qui génèrent de la chaleur.

Une équipe de chercheurs a maintenant démontré un moyen de rendre ces lentilles ultra-fines actives et réactives, capables de changer leur façon de focaliser la lumière en une fraction de seconde. Ils ont créé une lentille à partir d'une seule couche d'atomes, un matériau si fin qu'il est essentiellement bidimensionnel, et ont montré qu'ils pouvaient activer ou désactiver sa capacité de focalisation à l'aide d'un second faisceau de lumière. Cette réussite résout un problème de longue date dans le domaine : les méthodes précédentes pour contrôler de telles lentilles étaient soit trop lentes pour être utiles aux données à haute vitesse, soit trop faibles pour faire une différence notable. En utilisant les propriétés uniques de ce matériau atomique, les chercheurs ont obtenu une modulation de l'efficacité de focalisation qui est à la fois rapide et puissante, ouvrant la voie à des dispositifs optiques qui peuvent être reconfigurés instantanément sans pièces mobiles.

La lentille au cœur de cette découverte est faite d'un matériau appelé diséléniure de tungstène, qui existe sous la forme d'une feuille stable d'un seul atome d'épaisseur. Les chercheurs ont façonné cette feuille en une forme de lentille composée de vingt-deux anneaux concentriques, créant une structure de seulement cent micromètres de large. Dans son état naturel, cette lentille est transparente et ne focalise pas bien la lumière car le matériau est si mince que la majeure partie de la lumière le traverse simplement. Cependant, le matériau possède une propriété spéciale : lorsqu'il est frappé par une lumière d'une couleur spécifique, il peut générer une nouvelle couleur de lumière à exactement le double de la fréquence, un processus connu sous le nom de génération de seconde harmonique. Les chercheurs ont conçu leur expérience de sorte que la lentille focalise cette lumière nouvellement générée plutôt que la lumière qui passe simplement à travers.

Pour tester la lentille, l'équipe a projeté un faisceau de lumière dessus, ce qui a provoqué l'émission par la couche atomique d'un second faisceau à fréquence plus élevée. Ils ont mesuré l'endroit où ce nouveau faisceau arrivait à un foyer et ont constaté que la lentille concentrait avec succès la lumière en un point situé à environ deux cents micromètres de distance. L'efficacité de cette focalisation était étonnamment élevée pour un matériau aussi fin, prouvant que la lentille fonctionnait comme prévu. La véritable percée est survenue lorsqu'ils ont introduit un second faisceau de lumière, agissant comme un interrupteur de contrôle. Ce faisceau de contrôle était réglé pour exciter les électrons au sein de la couche atomique, modifiant efficacement les propriétés optiques du matériau pendant un bref instant.

Lorsque le faisceau de contrôle a frappé la lentille, il a provoqué un réarrangement des électrons, ce qui a immédiatement réduit la capacité du matériau à générer et à focaliser le second faisceau de lumière. Ce changement s'est produit presque instantanément, dans un intervalle mesuré en picosecondes, soit un millième de milliardième de seconde. Les chercheurs ont observé que l'intensité de la lumière focalisée chutait de près de trente pour cent lorsque le faisceau de contrôle était actif. Ce changement est significatif, surtout compte tenu du fait que le faisceau de contrôle était relativement faible, nécessitant moins de dix microjoules par centimètre carré. En revanche, lorsqu'ils ont tenté de moduler la lentille en utilisant le même faisceau de contrôle mais sans l'effet spécial de doublement de fréquence, le changement de focalisation était inférieur à un pour cent, montrant que la nouvelle méthode est nettement plus efficace.

La vitesse de ce basculement est déterminée par la rapidité avec laquelle les électrons excités du matériau reviennent à leur état de repos. Les chercheurs ont mesuré ce temps de récupération et ont constaté que la lentille revenait à son état d'origine en environ dix picosecondes. Cette vitesse est de plusieurs ordres de grandeur plus rapide que les méthodes précédentes qui reposaient sur l'électricité ou la chaleur pour régler les lentilles, lesquelles prenaient souvent des millisecondes pour répondre. La capacité de basculer la lentille sur on et off si rapidement suggère que ces dispositifs pourraient être utilisés dans les technologies futures nécessitant des ajustements rapides, telles que l'orientation de faisceaux laser pour la communication ou la création d'interrupteurs optiques ultra-rapides pour l'informatique.

L'étude confirme qu'en combinant l'extrême finesse des matériaux atomiques avec la physique de la génération de lumière non linéaire, il est possible de créer des composants optiques qui sont non seulement petits, mais aussi dynamiquement contrôlables. Les chercheurs n'ont pas seulement observé une possibilité théorique ; ils ont construit le dispositif, mesuré la lumière et vérifié le timing de la réponse. Ils ont démontré que la lentille pouvait être réglée avec un effet important grâce à un mécanisme très rapide, une combinaison qui était auparavant difficile à atteindre. Ce travail établit une nouvelle plateforme pour la nanophotonique active, où le foyer de la lumière peut être manipulé avec la même vitesse et la même précision que les signaux électroniques qui pilotent notre monde moderne, mais en utilisant la lumière elle-même comme mécanisme de contrôle.