Des chercheurs de l’université d'Eindhoven (Pays-Bas) et de l'institut DIFFER viennent de créer un nanolaser écoénergétique capable de rayonner dans toutes les directions. Cet effet omnidirectionnel résulte d'une caractéristique généralement indésirable dans les nanotechnologies : les défauts des matériaux. Les chercheurs envisagent de nombreuses applications potentielles. Leurs travaux ont été publiés sur le site de la revue Physical Review Letters.

Perfection ?

Les structures réalisées dans le domaine des nanosciences sont si petites qu'il est pratiquement impossible d’atteindre la perfection. Tout défaut dans la forme et la composition des matériaux est une véritable calamité pour la science et la technologie. Pour autant, les travaux de recherche conjoints menés à Eindhoven ont permis de transformer cette difficulté en avantage. En effet, les chercheurs ont choisi d’introduire un certain niveau de désordre dans le matériau utilisé pour fabriquer les nanolasers. Ces imperfections ont provoqué un changement majeur : au lieu d'une émission cohérente, le laser rayonne de manière omnidirectionnelle.

Seuil d’émission laser

Un laser normal « clone » chaque photon à plusieurs reprises dans un fragment de matériau à l’aide de miroirs placés aux extrémités. Les photons circulent par réflexion entre les miroirs, et au passage, créent d'autres photons aux caractéristiques identiques. L'un de ces dispositifs réfléchissants permet à une petite quantité de lumière de traverser, ce qui provoque la sortie du faisceau laser. Pour obtenir cet effet, une tension ou une lumière à haute énergie est appliquée au matériau. Le seuil d'émission laser correspond à la quantité minimale d'énergie nécessaire pour produire la lumière laser.

Laser à polaritons

Un laser à polaritons fonctionne de manière différente. Plutôt que d'effectuer un clonage de photons, ce laser les regroupe pour qu'ils deviennent identiques. Il s'agit d'un processus similaire à celui de la condensation de l'eau dans lequel les molécules de liquide se déplacent au départ de manière aléatoire, mais finissent, en se regroupant, par former des gouttelettes. La « condensation » des photons permet donc de produire une lumière laser focalisée et intense. L'un des avantages importants de ce type de laser est son seuil d'émission très bas. Jusqu'à une période récente, les lasers à polaritons ne fonctionnaient qu'à une température extrêmement basse. Grâce aux matériaux organiques, ils peuvent fonctionner aussi à température ambiante.

Matière plastique

L'équipe de recherche de l’université de technologie d'Eindhoven et de l'institut DIFFER vient de découvrir un nouveau type de laser à polaritons. Ce dispositif utilise un motif régulier de bandes nanoscopiques constituées d'argent, déposé sur un fragment de matière plastique colorée et transparente. Sur ce principe, les chercheurs avaient déjà réussi à fabriquer un nanolaser, mais dans le cas présent, des imperfections ont été délibérément introduites dans les bandes d'argent, provoquant ainsi une émission de lumière laser dans toutes les directions. Les propriétés de cette lumière sont essentiellement déterminées par les molécules qui confèrent sa couleur à la matière plastique.

Possibilités

Comparée à celle des LED, la lumière est plus intense et mieux définie. D'où son intérêt comme source lumineuse pour les microscopes qui utilisent fréquemment des LED. Les LIDAR constituent une autre application potentielle. Les systèmes LIDAR actuels disposent d'un ou plusieurs lasers et d'un ensemble de miroirs à mouvement rapide pour couvrir un grand périmètre. Un laser omnidirectionnel ne nécessite pas de miroirs et il serait donc possible de simplifier considérablement le système.