Une nouvelle méthode peut produire une multiplication par cent des émissions lumineuses à partir d’un type de couplage électron-photon, qui est la clé des microscopes électroniques et d’autres technologies. —

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. La découverte a des implications potentielles pour les applications commerciales et la recherche scientifique fondamentale, même si elle nécessitera plus d’années de recherche pour la rendre pratique.

Les résultats sont publiés aujourd’hui dans la revue La naturedans un article rédigé par les post-doctorants du MIT Yi Yang (maintenant professeur adjoint à l’Université de Hong Kong) et Charles Roques-Carmes, les professeurs du MIT Marin Soljačić et John Joannopoulos, et cinq autres au MIT, à l’Université de Harvard et au Technion-Israel Institute of Technologie.

Dans une combinaison de simulations informatiques et d’expériences en laboratoire, l’équipe a découvert qu’en utilisant un faisceau d’électrons en combinaison avec un cristal photonique spécialement conçu – une plaque de silicium sur un isolant, gravé avec un réseau de trous à l’échelle nanométrique – ils pourraient prédisent théoriquement une émission plus forte de plusieurs ordres de grandeur que ce qui serait normalement possible dans le rayonnement Smith-Purcell conventionnel. Ils ont également enregistré expérimentalement une multiplication par cent du rayonnement dans leurs mesures de preuve de concept.

Contrairement à d’autres approches de production de sources de lumière ou d’autres rayonnements électromagnétiques, la méthode basée sur les 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 produire efficacement, notamment les ondes térahertz, la lumière ultraviolette et les rayons X.

L’équipe a jusqu’à présent démontré l’amélioration au centuple de l’émission en utilisant un microscope électronique réutilisé pour fonctionner comme une source de faisceaux d’électrons. Mais ils disent que le principe de base impliqué pourrait potentiellement permettre des améliorations bien plus importantes en utilisant des dispositifs spécifiquement adaptés à cette fonction.

L’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 de base des photons et des électrons libres. Le principe sous-jacent implique le transfert de quantité de mouvement de l’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 telle manière qu’il permet la production de toute une gamme d’angles.

Le même processus pourrait également être utilisé dans la direction opposée, en utilisant des ondes lumineuses résonnantes pour propulser les électrons, augmentant leur vitesse d’une manière qui pourrait potentiellement être exploitée pour construire des accélérateurs de particules miniaturisés sur une puce. Ceux-ci pourraient à terme être en mesure de remplir certaines fonctions qui nécessitent actuellement des tunnels souterrains géants, comme le Grand collisionneur de hadrons de 30 kilomètres de large en Suisse.

“Si vous pouviez réellement construire des accélérateurs d’électrons sur une puce”, déclare Soljačić, “vous pourriez créer des accélérateurs beaucoup plus compacts pour certaines des applications d’intérêt, qui produiraient encore des électrons très énergétiques. Ce serait évidemment énorme. Pour de nombreuses applications, vous n’auriez pas à construire ces énormes installations.”

Le nouveau système pourrait également fournir un faisceau de rayons X hautement contrôlable à des fins de radiothérapie, explique Roques-Carmes.

Et le système pourrait être utilisé pour générer plusieurs photons intriqués, un effet quantique qui pourrait être utile dans la création de systèmes de calcul et de communication quantiques, selon les chercheurs. “Vous pouvez utiliser des électrons pour coupler de nombreux photons ensemble, ce qui est un problème considérablement difficile si vous utilisez une approche purement optique”, explique Yang. “C’est l’une des orientations futures les plus excitantes de notre travail.”

Il reste encore beaucoup à faire pour traduire ces nouvelles découvertes en dispositifs 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 pour développer la source d’électrons sur puce nécessaire produisant un front d’onde continu, entre autres défis.

“La raison pour laquelle c’est excitant”, ajoute Roques-Carmes, “c’est parce qu’il s’agit d’un type de source assez différent.” 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 “il est généralement difficile de déplacer cette fréquence d’émission. Ici, c’est complètement réglable. En changeant simplement la vitesse des électrons, vous pouvez changer la fréquence d’émission. . .. Cela nous passionne quant au potentiel de ces sources. Parce qu’elles sont différentes, elles offrent de nouveaux types d’opportunités.”

Mais, conclut Soljačić, “pour qu’elles deviennent vraiment compétitives avec d’autres types de sources, je pense qu’il faudra encore quelques années de recherche. Je dirais qu’avec un effort sérieux, dans deux à cinq ans, elles pourraient commencer à être compétitives dans au moins certaines zones de rayonnement.”

L’équipe de recherche comprenait également Steven Kooi de l’Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT, Haoning Tang et Eric Mazur de l’Université de Harvard, Justin Beroz du MIT et Ido 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.