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Contrôler la lumière avec un matériau de trois atomes d'épaisseur

La plupart d’entre nous contrôlons la lumière tout le temps sans même y penser, généralement de manière banale : nous enfilons une paire de lunettes de soleil et mettons de la crème solaire, et fermons – ou ouvrons – nos stores.

Mais le contrôle de la lumière peut aussi prendre des formes higher-tech. L’écran de l’ordinateur. Un autre est celui des télécommunications, qui contrôle la lumière pour créer des signaux qui transportent des données le prolonged des câbles à fibres optiques.

Les scientifiques utilisent également des méthodes de haute technologie pour contrôler la lumière en laboratoire, et maintenant, grâce à une nouvelle percée qui utilise un matériau spécialisé de seulement trois atomes d’épaisseur, ils peuvent contrôler la lumière moreover précisément que jamais.

Le travail a été mené dans le laboratoire de Harry Atwater, Otis Booth Management Chair de la Division of Engineering and Used Science, Howard Hughes Professor of Applied Physics and Products Science, et directeur de la Liquid Sunlight Alliance (LiSA). Il apparaît dans un article publié dans le numéro du 22 octobre de Science.

Pour comprendre le travail, il est utile de se rappeler d’abord que la lumière existe sous forme d’onde et qu’elle possède une propriété appelée polarisation, qui décrit la way dans laquelle les ondes vibrent. Imaginez être dans un bateau qui flotte sur l’océan  : les vagues de l’océan ont une polarisation verticale, ce qui signifie que lorsque les vagues passent sous le bateau, elles montent et descendent. Les ondes lumineuses se comportent à peu près de la même manière, sauf que ces ondes peuvent être polarisées à n’importe quel angle. Si un bateau pouvait surfer sur des vagues de lumière, il pourrait se balancer d’un côté à l’autre, ou en diagonale, ou même en spirale.

La polarisation peut être utile automobile elle permet de contrôler la lumière de manière spécifique. Par exemple, les verres de vos lunettes de soleil bloquent l’éblouissement (la lumière se polarise souvent lorsqu’elle se réfléchit sur une surface area, comme la vitre d’une voiture). L’écran d’une calculatrice de bureau crée des nombres lisibles en polarisant la lumière et en la bloquant dans certaines zones. Les zones où la lumière polarisée est bloquée apparaissent sombres, tandis que les zones où la lumière n’est pas bloquée apparaissent claires.

Dans l’article, Atwater et ses co-auteurs décrivent remark ils ont utilisé trois couches d’atomes de phosphore pour créer un matériau pour polariser la lumière qui est accordable, précis et extrêmement fin.

Le matériau est construit à partir de phosphore noir, qui est similaire à bien des égards au graphite, ou graphène, des formes de carbone constituées de couches d’un seul atome d’épaisseur. Mais alors que les couches de graphène sont parfaitement plates, les couches de phosphore noir sont nervurées, comme la texture d’un pantalon en velours côtelé ou d’un carton ondulé. (Le phosphore se présente également sous des formes rouges, blanches et violettes, distinctes en raison de la disposition des atomes à l’intérieur.)

Cette structure cristalline, selon Atwater, confère au phosphore noir des propriétés optiques significativement anisotropes. “L’anisotropie signifie que cela dépend de l’angle”, explique-t-il. “Dans un matériau comme le graphène, la lumière est absorbée et réfléchie de manière égale quel que soit l’angle sous lequel elle est polarisée. Le phosphore noir est très différent dans le sens où si la polarisation de la lumière est alignée le long des ondulations, elle a une réponse très différente que si il est aligné perpendiculairement aux ondulations.”

Lorsque la lumière polarisée est orientée à travers les ondulations en phosphore noir, elle interagit avec le matériau différemment que lorsqu’elle est orientée le long des ondulations – un peu comme il est as well as facile de se frotter la principal le very long des côtes en velours côtelé que de frotter votre major sur eux.

Cependant, de nombreux matériaux peuvent polariser la lumière et cette capacité à elle seule n’est pas particulièrement utile. Ce qui rend le phosphore noir spécial, dit Atwater, c’est qu’il est aussi un semi-conducteur, un matériau qui conduit mieux l’électricité qu’un isolant, comme le verre, mais pas aussi bien qu’un métal comme le cuivre. Le silicium dans les puces électroniques est un exemple de semi-conducteur. Et tout comme de minuscules structures construites à partir de silicium peuvent contrôler le flux d’électricité dans une micropuce, les buildings construites à partir de phosphore noir peuvent contrôler la polarisation de la lumière lorsqu’un sign électrique leur est appliqué.

“Ces minuscules structures effectuent cette conversion de polarisation”, dit Atwater, “donc maintenant je peux faire quelque selected de très fin et accordable, et à l’échelle nanométrique. Je pourrais faire un tableau de ces petits éléments, dont chacun peut convertir la polarisation dans un état de polarisation réfléchi différent.”

La technologie d’affichage à cristaux liquides (Liquid crystal display) que l’on trouve dans les écrans de téléphone et les téléviseurs possède déjà certaines de ces capacités, mais la technologie du phosphore noir a le potentiel de prendre une longueur d’avance. Les “pixels” d’une matrice de phosphore noir pourraient être 20 fois in addition petits que ceux des écrans Lcd, tout en répondant aux entrées un million de fois furthermore rapidement.

De telles vitesses ne sont pas nécessaires pour regarder un movie ou lire un posting en ligne, mais elles pourraient révolutionner les télécommunications, dit Atwater. Le câble à fibre optique à travers lequel les signaux lumineux sont envoyés dans les appareils de télécommunication ne peut transmettre qu’un nombre limité de signaux avant qu’ils ne commencent à interférer et à se submerger, les brouillant (graphic essayant d’entendre ce qu’un ami dit dans un bar bondé et bruyant). Mais un appareil de télécommunications basé sur de fines couches de phosphore noir pourrait régler la polarisation de chaque sign afin qu’aucun n’interfère les uns avec les autres. Cela permettrait à un câble à fibre optique de transporter beaucoup as well as de données qu’il ne le fait actuellement.

Atwater affirme que la technologie pourrait également ouvrir la porte à un remplacement basé sur la lumière pour le Wi-Fi, ce que les chercheurs dans le domaine appellent Li-Fi.

« De as well as en moreover, nous allons examiner les communications par ondes lumineuses dans l’espace libre », dit-il. “Un éclairage comme cette lampe très amazing au-dessus de mon bureau ne transporte aucun signal de interaction. Il fournit juste de la lumière. Mais il n’y a aucune raison pour que vous ne puissiez pas vous asseoir dans un futur Starbucks et que votre ordinateur portable prenne un signal lumineux pour son sans fil interaction plutôt qu’un sign radio. Ce n’est pas encore tout à fait là, mais quand il arrivera ici, ce sera au moins cent fois plus rapide que le Wi-Fi.”

L’article décrivant le travail est intitulé “Conversion de polarisation électro-optique à large bande avec du phosphore noir atomiquement mince”. L’auteur principal est Souvik Biswas, étudiant diplômé en physique appliquée. Les autres co-auteurs sont Meir Y. Grajower, chercheur associé postdoctoral en physique appliquée et science des matériaux, et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.

et nous avons à peine effleuré la surface area”, a déclaré Biswas. “Ce serait gratifiant si un jour vous pouviez acheter un produit business construit à partir de matériaux aussi minces sur le program atomique, et ce jour-là pourrait ne pas être très loin.”

Le financement de la recherche a été fourni par le département américain de l’Énergie le ministère japonais de l’Éducation, de la Society, des Sports, des Sciences et de la Technologie  la Société japonaise pour la advertising de la science et l’Agence japonaise pour la science et la technologie.

La plupart d’entre nous contrôlons la lumière tout le temps sans même y penser, généralement de manière banale : nous enfilons une paire de lunettes de soleil et mettons de la crème solaire, et fermons – ou ouvrons – nos suppliers.

Mais le contrôle de la lumière peut aussi prendre des formes substantial-tech. L’écran de l’ordinateur. Un autre est celui des télécommunications, qui contrôle la lumière pour créer des signaux qui transportent des données le extensive des câbles à fibres optiques.

Les scientifiques utilisent également des méthodes de haute technologie pour contrôler la lumière en laboratoire, et maintenant, grâce à une nouvelle percée qui utilise un matériau spécialisé de seulement trois atomes d’épaisseur, ils peuvent contrôler la lumière in addition précisément que jamais.

Le travail a été mené dans le laboratoire de Harry Atwater, Otis Booth Leadership Chair de la Division of Engineering and Used Science, Howard Hughes Professor of Applied Physics and Elements Science, et directeur de la Liquid Daylight Alliance (LiSA). Il apparaît dans un short article publié dans le numéro du 22 octobre de Science.

Pour comprendre le travail, il est utile de se rappeler d’abord que la lumière existe sous forme d’onde et qu’elle possède une propriété appelée polarisation, qui décrit la path dans laquelle les ondes vibrent. Imaginez être dans un bateau qui flotte sur l’océan  : les vagues de l’océan ont une polarisation verticale, ce qui signifie que lorsque les vagues passent sous le bateau, elles montent et descendent. Les ondes lumineuses se comportent à peu près de la même manière, sauf que ces ondes peuvent être polarisées à n’importe quel angle. Si un bateau pouvait surfer sur des vagues de lumière, il pourrait se balancer d’un côté à l’autre, ou en diagonale, ou même en spirale.

La polarisation peut être utile motor vehicle elle permet de contrôler la lumière de manière spécifique. Par exemple, les verres de vos lunettes de soleil bloquent l’éblouissement (la lumière se polarise souvent lorsqu’elle se réfléchit sur une floor, comme la vitre d’une voiture). L’écran d’une calculatrice de bureau crée des nombres lisibles en polarisant la lumière et en la bloquant dans certaines zones. Les zones où la lumière polarisée est bloquée apparaissent sombres, tandis que les zones où la lumière n’est pas bloquée apparaissent claires.

Dans l’article, Atwater et ses co-auteurs décrivent comment ils ont utilisé trois couches d’atomes de phosphore pour créer un matériau pour polariser la lumière qui est accordable, précis et extrêmement fin.

Le matériau est construit à partir de phosphore noir, qui est similaire à bien des égards au graphite, ou graphène, des formes de carbone constituées de couches d’un seul atome d’épaisseur. Mais alors que les couches de graphène sont parfaitement plates, les couches de phosphore noir sont nervurées, comme la texture d’un pantalon en velours côtelé ou d’un carton ondulé. (Le phosphore se présente également sous des formes rouges, blanches et violettes, distinctes en raison de la disposition des atomes à l’intérieur.)

Cette framework cristalline, selon Atwater, confère au phosphore noir des propriétés optiques significativement anisotropes. “L’anisotropie signifie que cela dépend de l’angle”, explique-t-il. “Dans un matériau comme le graphène, la lumière est absorbée et réfléchie de manière égale quel que soit l’angle sous lequel elle est polarisée. Le phosphore noir est très différent dans le sens où si la polarisation de la lumière est alignée le extended des ondulations, elle a une réponse très différente que si il est aligné perpendiculairement aux ondulations.”

Lorsque la lumière polarisée est orientée à travers les ondulations en phosphore noir, elle interagit avec le matériau différemment que lorsqu’elle est orientée le lengthy des ondulations – un peu comme il est in addition facile de se frotter la main le very long des côtes en velours côtelé que de frotter votre most important sur eux.

Cependant, de nombreux matériaux peuvent polariser la lumière et cette capacité à elle seule n’est pas particulièrement utile. Ce qui rend le phosphore noir spécial, dit Atwater, c’est qu’il est aussi un semi-conducteur, un matériau qui conduit mieux l’électricité qu’un isolant, comme le verre, mais pas aussi bien qu’un métal comme le cuivre. Le silicium dans les puces électroniques est un exemple de semi-conducteur. Et tout comme de minuscules buildings construites à partir de silicium peuvent contrôler le flux d’électricité dans une micropuce, les buildings construites à partir de phosphore noir peuvent contrôler la polarisation de la lumière lorsqu’un signal électrique leur est appliqué.

“Ces minuscules buildings effectuent cette conversion de polarisation”, dit Atwater, “donc maintenant je peux faire quelque chose de très fin et accordable, et à l’échelle nanométrique. Je pourrais faire un tableau de ces petits éléments, dont chacun peut convertir la polarisation dans un état de polarisation réfléchi différent.”

La technologie d’affichage à cristaux liquides (Liquid crystal display) que l’on trouve dans les écrans de téléphone et les téléviseurs possède déjà certaines de ces capacités, mais la technologie du phosphore noir a le potentiel de prendre une longueur d’avance. Les “pixels” d’une matrice de phosphore noir pourraient être 20 fois moreover petits que ceux des écrans Lcd, tout en répondant aux entrées un million de fois furthermore rapidement.

De telles vitesses ne sont pas nécessaires pour regarder un film ou lire un short article en ligne, mais elles pourraient révolutionner les télécommunications, dit Atwater. Le câble à fibre optique à travers lequel les signaux lumineux sont envoyés dans les appareils de télécommunication ne peut transmettre qu’un nombre limité de signaux avant qu’ils ne commencent à interférer et à se submerger, les brouillant (image essayant d’entendre ce qu’un ami dit dans un bar bondé et bruyant). Mais un appareil de télécommunications basé sur de fines couches de phosphore noir pourrait régler la polarisation de chaque sign afin qu’aucun n’interfère les uns avec les autres. Cela permettrait à un câble à fibre optique de transporter beaucoup plus de données qu’il ne le fait actuellement.

Atwater affirme que la technologie pourrait également ouvrir la porte à un remplacement basé sur la lumière pour le Wi-Fi, ce que les chercheurs dans le domaine appellent Li-Fi.

« De plus en moreover, nous allons examiner les communications par ondes lumineuses dans l’espace libre », dit-il. “Un éclairage comme cette lampe très cool au-dessus de mon bureau ne transporte aucun sign de conversation. Il fournit juste de la lumière. Mais il n’y a aucune raison pour que vous ne puissiez pas vous asseoir dans un futur Starbucks et que votre ordinateur portable prenne un sign lumineux pour son sans fil conversation plutôt qu’un signal radio. Ce n’est pas encore tout à fait là, mais quand il arrivera ici, ce sera au moins cent fois additionally rapide que le Wi-Fi.”

L’article décrivant le travail est intitulé “Conversion de polarisation électro-optique à large bande avec du phosphore noir atomiquement mince”. L’auteur principal est Souvik Biswas, étudiant diplômé en physique appliquée. Les autres co-auteurs sont Meir Y. Grajower, chercheur associé postdoctoral en physique appliquée et science des matériaux, et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut nationwide des sciences des matériaux au Japon.

et nous avons à peine effleuré la surface area”, a déclaré Biswas. “Ce serait gratifiant si un jour vous pouviez acheter un produit commercial construit à partir de matériaux aussi minces sur le strategy atomique, et ce jour-là pourrait ne pas être très loin.”

Le financement de la recherche a été fourni par le département américain de l’Énergie le ministère japonais de l’Éducation, de la Culture, des Athletics, des Sciences et de la Technologie  la Société japonaise pour la marketing de la science et l’Agence japonaise pour la science et la technologie.