La façon dont les électrons interagissent avec les photons de lumière est un élément essentiel de nombreuses technologies modernes, des lasers aux panneaux solaires en passant par les lampes à LED. Mais l’interaction est intrinsèquement faible en raison d’un énorme décalage d’échelle : la longueur d’onde de la lumière visible est environ 1 000 fois supérieure à celle d’un électron, de sorte que la façon dont les deux choses s’affectent est limitée par ce décalage.
Aujourd’hui, des chercheurs du MIT et d’ailleurs ont trouvé un moyen innovant de rendre possibles des interactions beaucoup plus fortes entre les photons et les électrons, ce qui produit une multiplication par cent de l’émission de lumière à partir d’un phénomène appelé rayonnement Smith-Purcell. Cette découverte a des implications potentielles pour les applications commerciales et la recherche scientifique fondamentale, bien qu’il faudra encore de nombreuses années de recherche pour la rendre pratique.
Les résultats sont publiés aujourd’hui dans la revue naturedans un article rédigé par les chercheurs postdoctoraux du MIT Yi Yang (maintenant professeur adjoint à l’Université de Hong Kong) et Charles Rock Karms, les professeurs du MIT Marin Soljic et John Jonopoulos, et cinq autres au MIT, à l’Université de Harvard et au Technion-Israel Institute de la Technologie.
Dans une combinaison de simulations informatiques et d’expériences en laboratoire, l’équipe a découvert qu’en utilisant un faisceau d’électrons avec un cristal photonique spécialement conçu – une plaque de silicium sur un isolant, gravée avec un réseau de trous nanométriques – ils pouvaient théoriquement prédire une émission plusieurs ordres d’une magnitude supérieure à ce qui serait normalement possible dans le rayonnement Smith-Purcell traditionnel. Ils ont également enregistré expérimentalement une multiplication par cent du rayonnement dans les mesures de preuve de concept.
Contrairement à d’autres méthodes de production de sources de lumière ou d’autres rayonnements électromagnétiques, la méthode à base d’électrons libres est entièrement réglable – elle peut produire des émissions de n’importe quelle longueur d’onde souhaitée, simplement en ajustant la taille de la structure photonique et la vitesse des électrons. Cela peut le rendre particulièrement utile pour créer des sources d’émission à des longueurs d’onde difficiles à reproduire efficacement, notamment les ondes térahertz, la lumière ultraviolette et les rayons X.
Jusqu’à présent, l’équipe a montré une amélioration au centuple de l’émission en utilisant un microscope électronique recombinant pour agir comme source de faisceau d’électrons. Mais ils disent que le principe de base impliqué pourrait permettre des améliorations beaucoup plus importantes avec des appareils spécifiquement adaptés à la fonction.
Cette approche est basée sur un concept appelé bandes plates, qui a été largement exploré ces dernières années pour la physique de la matière condensée et la photonique, mais n’a jamais été appliqué pour affecter l’interaction fondamentale des photons et des électrons libres. Le principe de base implique le transfert de quantité de mouvement d’un électron à un groupe de photons, ou vice versa. Alors que les interactions lumière-électron conventionnelles reposent sur la production de lumière sous un seul angle, le cristal photonique est réglé de manière à permettre la production d’une gamme complète d’angles.
Le même processus peut également être utilisé en sens inverse, en utilisant des ondes lumineuses résonnantes pour propulser des électrons, augmentant leur vitesse d’une manière qui peut être exploitée pour construire des accélérateurs de particules miniatures sur une puce. Ceux-ci pourraient éventuellement remplir certaines des fonctions qui nécessitent actuellement des tunnels souterrains géants, comme le grand collisionneur de hadrons de 30 kilomètres de large en Suisse.
“Si vous pouvez réellement construire des accélérateurs d’électrons sur une puce”, déclare Soljačić, “vous pouvez créer des accélérateurs plus compacts pour certaines applications importantes, qui produiront toujours des électrons très énergétiques. Évidemment, ce serait énorme. Pour de nombreuses applications, vous ne le feriez pas. Je n’ai pas besoin de construire ces immenses installations.
Le nouveau système pourrait également fournir un faisceau de rayons X hautement contrôlable à des fins de radiothérapie, explique Roques Karms.
Le système peut être utilisé pour générer plusieurs photons intriqués, un effet quantique qui pourrait être utile pour créer des systèmes de calcul et de communication basés sur le quantum, selon les chercheurs. “Vous pouvez utiliser des électrons pour lier de nombreux photons ensemble, ce qui est un problème assez difficile si vous utilisez une approche purement optique”, explique Yang. “C’est l’une des orientations futures les plus excitantes pour notre travail.”
Il reste encore beaucoup de travail à faire pour traduire ces nouvelles découvertes en outils pratiques, prévient Soljačić. Cela peut prendre quelques années pour développer les interfaces nécessaires entre les composants optiques et électroniques et comment les connecter sur une seule puce, et développer la source d’électrons sur puce nécessaire pour produire une interface à onde continue, entre autres défis.
“La raison pour laquelle c’est passionnant, c’est parce que c’est un type de source complètement différent”, ajoute Roux-Karms. “Alors que la plupart des technologies de génération de lumière sont limitées à des gammes de couleurs ou de longueurs d’onde très spécifiques, et qu’il est généralement difficile de déplacer cette fréquence d’émission. À propos du potentiel de ces sources. Parce qu’elles sont différentes, elles offrent de nouveaux types d’opportunités.”
لكن Soljači يخلص إلى أنه “من أجل أن يصبحوا منافسين حقيقيين مع أنواع أخرى من المصادر ، أعتقد أن الأمر سيتطلب بضع سنوات أخرى من البحث. أود أن أقول إنه ببعض الجهود الجادة ، قد يبدأون في التنافس في بعض مجالات الإشعاع على الأقل في غضون سنتين إلى cinq ans “.
L’équipe de recherche comprenait également Stephen Cui du MIT Nanotechnologies Soldier, Huning Tang et Eric Mazur de l’Université de Harvard, Justin Peroz du MIT et Edo Kaminer du Technion Israel Institute of Technology. Le travail a été soutenu par le US Army Research Office par l’intermédiaire de l’Institute for Soldier Nanotechnologies, le US Air Force Office of Scientific Research et le US Office of Naval Research.