Des surfaces ondulées pour un meilleur contrôle de la lumière

L'importance des technologies basées sur la lumière pour notre société a été démontrée une fois de plus au cours des dernières semaines. Grâce à l'internet, des millions de personnes peuvent travailler à distance, entrer dans des salles de classe virtuelles ou parler à des amis et à des parents. L'internet, à son tour, doit sa puissance à d'innombrables impulsions lumineuses avec lesquelles d'énormes quantités de données sont envoyées dans le monde entier via des fibres optiques.

Pour diriger et contrôler ces impulsions lumineuses, diverses technologies sont utilisées. L'une des plus anciennes et des plus importantes est le réseau de diffraction, qui dévie la lumière de différentes couleurs dans des directions déterminées avec précision. Depuis des décennies, les scientifiques tentent d'améliorer la conception et la production des réseaux de diffraction afin de les rendre adaptés aux applications exigeantes d'aujourd'hui. À l'ETH Zurich, un groupe de chercheurs dirigé par David Norris, professeur au département de génie mécanique et des procédés, a mis au point une méthode entièrement nouvelle permettant de produire des réseaux de diffraction plus efficaces et plus précis. Ils l'ont fait en collaboration avec des collègues de l'université d'Utrecht et de la société Heidelberg Instruments Nano, qui a été fondée en tant que spin-off de l'ETH SwissLitho. Les chercheurs ont publié les résultats dans la revue scientifique Nature.

Interférence par les rainures

Les réseaux de diffraction sont basés sur le principe de l'interférence. Lorsqu'une onde lumineuse frappe une surface rainurée, elle est divisée en de nombreuses ondes plus petites, chacune émanant d'une rainure individuelle. Lorsque ces ondes quittent la surface, elles peuvent s'additionner ou s'annuler, selon la direction dans laquelle elles se déplacent et leur longueur d'onde (qui est liée à leur couleur). Cela explique pourquoi la surface d'un CD, sur laquelle les données sont stockées dans de minuscules sillons, génère un arc-en-ciel de couleurs lorsqu'elle est éclairée par une lumière blanche.

Pour qu'un réseau de diffraction fonctionne correctement, ses sillons doivent avoir une séparation similaire à la longueur d'onde de la lumière, qui est d'environ un micromètre - cent fois plus petite que la largeur d'un cheveu humain. «Traditionnellement, ces sillons sont gravés dans la surface d'un matériau en utilisant des techniques de fabrication de l'industrie microélectronique», explique Nolan Lassaline, doctorant dans le groupe de David Norris et premier auteur de l'étude. «Cependant, cela signifie que les rainures de la grille ont des parois latérales angulaires en forme d'escalier. D'autre part, la physique nous dit que les rainures doivent être lisses et ondulantes comme la surface ondulée d'un lac.»  Les rainures réalisées avec les méthodes traditionnelles ne peuvent donc être que des approximations grossières, ce qui signifie que le réseau de diffraction dirigera la lumière moins efficacement. En adoptant une approche totalement nouvelle, Le professeur Norris et son équipe ont maintenant découvert une solution à ce problème.

Dessin de surface à l'aide d'une sonde chaude

Leur approche est basée sur une technologie qui a également ses origines à Zurich. «Notre méthode est un arrière-petit-fils du microscope à balayage à effet tunnel, qui a été inventé il y a près de quarante ans par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui ont ensuite reçu le prix Nobel pour leurs travaux», explique David Norris. Dans un tel microscope, les surfaces des matériaux sont balayées par la pointe acérée d'une sonde à haute résolution. Les images résultant d'un tel balayage peuvent même montrer les atomes individuels d'un matériau.

Inversement, la sonde peut également être utilisée pour traiter un matériau et produire ainsi des surfaces ondulées. Pour ce faire, les scientifiques chauffent la pointe d'une sonde à balayage à près de 1000 degrés Celsius et l'enfoncent dans une couche de polymère à certains endroits. En conséquence, les molécules du polymère se brisent à ces endroits et s'évaporent, permettant ainsi de façonner la surface avec précision. Les scientifiques peuvent ainsi écrire n'importe quel profil de surface dans la couche de polymère point par point avec une résolution de quelques nanomètres. Enfin, une couche d'argent est déposée en phase vapeur sur le polymère, transférant ainsi le profil à un matériau optique. La couche d'argent peut alors être détachée du polymère et utilisée comme réseau de diffraction réfléchissant.

«Cela nous permet de produire des réseaux de diffraction de forme arbitraire avec une précision de quelques distances atomiques seulement dans la couche d'argent», ajoute le professeur Norris. Contrairement aux rainures carrées traditionnelles, ces réseaux ne sont plus des approximations, mais sont pratiquement parfaits et peuvent être formés de telle manière que l'interférence des ondes lumineuses réfléchies crée des motifs précisément contrôlables.

Une variété d'applications

Ces réseaux parfaits offrent de nouvelles possibilités pour contrôler la lumière, permettant toute une série d'applications, explique David Norris : «La nouvelle technologie peut être utilisée, par exemple, pour construire de minuscules réseaux de diffraction dans des circuits intégrés avec lesquels les signaux optiques pour l'internet peuvent être envoyés, reçus et acheminés plus efficacement.» Nolan Lassaline ajoute : «En général, nous pouvons utiliser ces réseaux de diffraction pour fabriquer des dispositifs optiques hautement miniaturisés tels que des micro-lasers sur puce.» Ces dispositifs miniaturisés, dit-il, vont des objectifs de caméra ultrafins aux hologrammes compacts avec des images plus nettes. Ils promettent un large impact dans les technologies optiques telles que les caméras de smartphones futuristes, les biocapteurs, ou la vision autonome pour les robots et les voitures.