Une prison miniature pour photons : c’est bien ce à quoi ressemble la nanocavité que les chercheurs de l’université de Twente (Pays-Bas) viennent de créer. Ce minuscule espace est circonscrit par un cristal photonique – une structure de pores mutuellement perpendiculaires. Le confinement de photons dans une cavité tridimensionnelle permettrait de construire des lasers et des LED miniatures à haut rendement, mais aussi des dispositifs de stockage optique de données ou des capteurs sensibles pour les applications biomédicales.

Photonique

Les techniques de « capture » de la lumière sont à l’origine de la photonique. La cavité la plus connue est celle constituée de deux miroirs entre lesquels se forme une onde lumineuse d'une couleur particulière, selon la distance séparant les surfaces réfléchissantes. C'est le principe du laser. Cependant, la lumière qui s'évade sur les côtés échappe à la réflexion des miroirs. Il est pourtant possible d'éviter le phénomène en entourant le photon de miroirs tridimensionnels, comme l'ont fait les chercheurs de l'université de Twente. Dans le cas présent, les miroirs sont formés de cristaux photoniques tridimensionnels. Ils sont constitués de pores réalisés par gravure profonde dans du silicium, selon deux directions mutuellement perpendiculaires.

Perturbation délibérée

Les cristaux photoniques sont connus pour leurs remarquables propriétés optiques. La structure et la périodicité des pores favorise la propagation exclusive de composantes lumineuses de longueurs d'ondes spécifiques. Le problème posé consiste à savoir comment créer en profondeur dans cette structure une irrégularité ou un « défaut » du cristal pour piéger les photons. Dans leur publication, les chercheurs montrent qu'il suffit pour cela de donner délibérément un diamètre différent aux deux pores perpendiculaires l'un à l'autre. À l'intersection, se crée une cavité, circonscrite par la structure régulière du cristal. Pour le photon, il n'y a aucune échappatoire.

Structure allégée

En modifiant localement la structure périodique, le cristal permet d'obtenir une absorption considérable de lumière dans le domaine visible, jusqu'à dix fois le niveau atteint par le silicium « non transformé ». Cette propriété est très recherchée pour les capteurs La haute densité des pores permet par ailleurs d'obtenir un cristal extrêmement léger – une propriété baptisée « holeyness » par les chercheurs (en français, l’aptitude à admettre des cavités). Enfin, et c'est essentiel, ces cristaux s'intègrent avec la technologie au silicium actuelle.

Puces optiques

Plus en amont, les chercheurs avaient démontré que les cristaux photoniques possédant une structure de diamant étaient capables de réfléchir la lumière dans un spectre de couleurs très large et pour tous les angles. Cette découverte a servi de point de départ à la l’invention présentée ici. Les cavités devraient à l’avenir jouer un rôle important pour le stockage et le traitement des signaux lumineux.

Source : Université de Twente (Pays-Bas)