On sait depuis des siècles que la lumière présente un comportement ondulatoire dans certaines situations. Certains matériaux sont capables de faire pivoter la polarisation, c'est-à-dire la direction d'oscillation, de l'onde lumineuse lorsque la lumière traverse le matériau. Cette propriété est utilisée dans un composant central des réseaux de communication optique appelé « isolateur optique » ou « diode optique ». Ce composant permet à la lumière de se propager dans une direction mais bloque toute lumière dans l’autre direction.
Dans une étude récente, des physiciens allemands et indiens ont montré que des matériaux bidimensionnels ultra-fins tels que le diséléniure de tungstène peuvent faire pivoter la polarisation de la lumière visible de plusieurs degrés à certaines longueurs d'onde sous de petits champs magnétiques adaptés à une utilisation sur des puces. Les scientifiques de l'Université de Münster, en Allemagne, et de l'Institut indien d'enseignement et de recherche scientifiques (IISER) à Pune, en Inde, ont publié leurs conclusions dans la revue Nature Communications.
L’un des problèmes des isolateurs optiques classiques est qu’ils sont assez grands, avec des tailles comprises entre plusieurs millimètres et plusieurs centimètres. En conséquence, les chercheurs ne sont pas encore parvenus à créer des systèmes optiques intégrés miniaturisés sur une puce comparables aux technologies électroniques courantes à base de silicium. Les puces optiques intégrées actuelles ne comportent que quelques centaines d’éléments sur une puce.
À titre de comparaison, une puce de processeur informatique contient plusieurs milliards d’éléments de commutation. Les travaux de l’équipe germano-indienne constituent donc une avancée dans le développement d’isolateurs optiques miniaturisés. Les matériaux 2D utilisés par les chercheurs n’ont que quelques couches atomiques d’épaisseur et sont donc cent mille fois plus fins qu’un cheveu humain.
"À l'avenir, les matériaux bidimensionnels pourraient devenir le cœur des isolateurs optiques et permettre l'intégration sur puce des technologies de calcul et de communication optiques actuelles et futures", déclare le professeur Rudolf Bratschitsch de l'université de Münster.
Le professeur Ashish Arora de l'IISER ajoute : « Même les aimants volumineux, qui sont également nécessaires pour les isolateurs optiques, pourraient être remplacés par des aimants 2D atomiquement minces. » Cela réduirait considérablement la taille des circuits intégrés photoniques.
L'équipe a déchiffré le mécanisme responsable de l'effet découvert : les paires électron-trou liées, appelées excitons, dans les semi-conducteurs 2D font tourner très fortement la polarisation de la lumière lorsque le matériau ultra-mince est placé dans un petit champ magnétique.
Selon Arora, « réaliser des expériences aussi sensibles sur des matériaux bidimensionnels n'est pas facile car les zones d'échantillonnage sont très petites. » Les scientifiques ont dû développer une nouvelle technique de mesure environ 1,000 XNUMX fois plus rapide que les méthodes précédentes.