Des surfaces ondulées pour un meilleur contr?le de la lumière

L'importance des technologies basées sur la lumière pour notre société a encore été démontrée ces dernières semaines. Gr?ce à Internet, des millions de personnes peuvent travailler à domicile, accéder à des salles de classe virtuelles ou parler à leurs parents et amis. Internet, quant à lui, doit sa performance à d'innombrables impulsions lumineuses qui permettent d'envoyer d'énormes quantités de données à travers le monde via des fibres optiques.

Pour diriger et contr?ler ces impulsions lumineuses, différentes technologies sont utilisées. L'une des plus anciennes et des plus importantes est le réseau de diffraction, qui permet de dévier la lumière de différentes couleurs dans des directions précisément prédéfinies. Depuis des décennies, les scientifiques tentent d'améliorer la conception et la fabrication des réseaux de diffraction et de les adapter aux applications exigeantes d'aujourd'hui. A l'ETH Zurich, des chercheurs dirigés par David Norris, professeur au Département de génie mécanique et des procédés, ont développé une toute nouvelle méthode permettant de fabriquer des réseaux de diffraction plus efficaces et plus précis. Ils l'ont fait en collaboration avec des collaborateurs travaillant désormais à l'Université d'Utrecht et avec la société Heidelberg Instruments Nano, créée en tant que spin-off de l'ETH SwissLitho. Ils ont récemment publié leurs résultats dans la revue scientifique page externeNature.

Interférences par des rainures

Les réseaux de diffraction reposent sur le principe de l'interférence. Lorsqu'une onde lumineuse tombe sur une surface rainurée, elle est divisée en de nombreuses ondes plus petites, chacune partant d'une rainure. Lorsque ces ondes quittent la surface, elles peuvent soit s'amplifier soit s'annuler mutuellement, en fonction de leur direction de propagation et de leur longueur d'onde (qui est liée à leur couleur). Cela explique pourquoi la surface d'un CD éclairé par de la lumière blanche, sur lequel sont stockées des données dans de fins sillons, produit un arc-en-ciel de couleurs réfléchies.

Pour qu'un réseau de diffraction fonctionne correctement, ses rainures doivent avoir un espacement similaire à la longueur d'onde de la lumière, soit environ un micromètre - cent fois plus petit qu'un cheveu humain. "Traditionnellement, ces rainures sont gravées dans la surface du matériau à l'aide de méthodes de fabrication de la microélectronique", explique Nolan Lassaline, doctorant dans le groupe de travail de Norris et premier auteur de l'étude. "Cela signifie toutefois que les rainures de la grille ont des parois latérales en forme d'escalier. D'un autre c?té, la physique nous dit que les rainures devraient être lisses et ondulées comme la surface frisée de l'eau d'un lac". Les rainures produites par les méthodes traditionnelles ne peuvent donc être qu'une approximation grossière, ce qui a pour conséquence que le réseau de diffraction dirige la lumière moins efficacement. Gr?ce à une toute nouvelle approche, Norris et ses collaborateurs ont désormais trouvé une solution à ce problème.

Traitement de surface avec une sonde chaude

Leur approche est basée sur une technologie qui vient également de Zurich. "Notre méthode est en quelque sorte l'arrière-petit-fils du microscope à balayage à effet tunnel que les futurs prix Nobel Gerd Binnig et Heinrich Rohrer ont inventé à Zurich il y a près de quarante ans", explique Norris. Dans un tel microscope, les surfaces des matériaux sont balayées avec une haute résolution au moyen d'une sonde extrêmement pointue. Les images ainsi obtenues montrent même des atomes individuels du matériau.

A l'inverse, il est également possible d'utiliser la sonde pointue pour travailler un matériau avec elle et obtenir ainsi des surfaces ondulées (voir photo). Pour ce faire, les chercheurs chauffent la pointe d'une sonde de balayage à près de 1000 degrés Celsius et l'enfoncent à certains endroits dans une couche de polymère. Les molécules du polymère se brisent alors à ces endroits et s'évaporent, ce qui permet de fa?onner la surface avec précision. Point par point, les scientifiques peuvent ainsi inscrire dans la couche de polymère des profils de surface quelconques avec une résolution de quelques nanomètres. Pour finir, une couche d'argent est déposée par évaporation sur le polymère et le profil est ainsi transféré sur un matériau optique. La couche d'argent peut ensuite être détachée du polymère et utilisée comme réseau de diffraction réfléchissant.

"De cette manière, nous pouvons créer des réseaux de diffraction de n'importe quelle forme avec une résolution de quelques distances atomiques dans la couche d'argent", explique Norris. Contrairement aux rainures angulaires traditionnelles, de tels réseaux ne sont plus des approximations, mais sont pratiquement parfaits et peuvent être formés de telle sorte que l'interférence des ondes lumineuses réfléchies forme des motifs contr?lables avec précision.

Une multitude d'applications

De tels réseaux de diffraction parfaits ouvrent de nouvelles possibilités de contr?le de la lumière qui mènent à toute une série d'applications, explique Norris : "La nouvelle technique peut par exemple être utilisée pour intégrer de minuscules réseaux de diffraction dans des circuits intégrés, ce qui permet d'envoyer, de recevoir et de distribuer encore plus efficacement des signaux optiques pour l'Internet."Lassaline ajoute : "En général, nous pouvons utiliser ces réseaux de diffraction pour créer des dispositifs optiques très miniaturisés, tels que des microlasers intégrés dans une puce". Ces dispositifs miniaturisés, dit-il, vont des lentilles de caméra ultrafines aux hologrammes compacts avec des images plus nettes. Ils devraient influencer les technologies optiques les plus diverses, comme les caméras futuristes des téléphones portables, les biocapteurs ou la vision artificielle autonome pour les robots et les voitures autopilotées.