Des matériaux denses et transparents pour contrôler la lumière

Des chercheurs ont récemment fait une découverte étonnante : une classe spéciale de matériaux appelés « matériaux hyperuniformes » peuvent être à la fois denses et transparents. Ce travail ouvre la voie à de nouvelles approches pour contrôler la lumière et pourrait trouver de nombreuses applications en photonique, incluant le domaine du photovoltaïque. Ces matériaux hyperuniformes peuvent être composés de plastique ou de verre qui contiennent des particules qui diffusent la lumière, et qui forment une structure désordonnée mais pas totalement aléatoire.

Gauche : faisceau lumineux incident sur un matériau désordonné dense. La lumière est diffusée dans toutes les directions. Droite : dans le cas d’un matériau hyperuniforme de même densité, le faisceau traverse le matériau sans distorsion, comme si le matériau était transparent.
L’équipe de chercheurs dirigée par Rémi Carminati à l’Institut Langevin (ESPCI Paris/CNRS) détaille ses résultats dans Optica, le journal à haut impact de l’Optical Society of America (OSA). Ils insistent notamment sur les propriétés de transparence qu’ils ont découvertes à l’aide de simulations numériques, et proposent une théorie précisant la gamme de longueurs d’ondes pour laquelle les matériaux hyperuniformes se révèlent transparents.

« Nous avons montré que les matériaux hyper-uniformes peuvent être transparents pour certaines longueurs d’ondes, tout en étant très denses », confirme Rémi Carminati. « Bien que notre travail reste conceptuel à ce stade, ce que nous avons trouvé est complètement nouveau. »

Propriétés optiques uniques

Bien que les matériaux hyper-uniformes aient été étudiés ces dix dernières années, leurs propriétés optiques n’ont suscité de l’intérêt que récemment. Il avait déjà été montré qu’un matériau hyperuniforme était transparent s’il disposait d’une densité de particules permettant à la lumière de le traverser en n’interagissant qu’une seule fois avec les particules.

« Normalement, plus un matériau désordonné est dense, plus il va diffuser la lumière et apparaître opaque » explique R. Carminati. « Cependant nous avons montré que si l’on rend le matériau suffisamment dense, jusqu’au point où la lumière interagit un grand nombre de fois avec les particules en traversant le matériau, la propriété de transparence est toujours observable. C’est vraiment un résultat inattendu, que personne n’avait étudié auparavant. »

Cette propriété étonnante des matériaux denses hyperuniformes provient de l’arrangement ordonné des particules à l’échelle microscopique dans le matériau. Bien que les particules espacées uniformément diffusent la lumière dans toutes les directions, les ondes lumineuses interfèrent entre elles, supprimant ainsi le phénomène de diffusion, sauf pour la lumière se propageant en ligne droite dans le matériau. Ceci signifie que la lumière qui entre dans le matériau poursuit son chemin comme si elle traversait un matériau homogène, et rendant ainsi le matériau transparent. Les longueurs d’ondes pour lesquelles le matériau est transparent dépendent des caractéristiques exactes du matériau utilisé.

Les matériaux hyperuniformes denses sont relativement ordonnés à l’échelle microscopique (d’environ 1 micron pour les applications en photonique), mais restent désordonnés à plus grande échelle. Cette caractéristique rend les matériaux moins sensibles aux erreurs de fabrication, ce qui signifie qu’ils pourraient être fabriqués à grande échelle. Des techniques standard de lithographie pourraient être utilisées pour fabriquer des matériaux comme celui imaginé dans cette étude, mais les chercheurs pensent que le développement de nouvelles techniques de fabrication d’hyperuniformité par auto-assemblage devraientt permettre de produire de tels matériaux en grandes quantités.

Contrôler les ondes lumineuses

« Lorsque les ondes lumineuses interagissent avec un matériau, le phénomène de diffusion qui se produit détruit de nombreuses propriétés intéressantes des ondes », explique R. Carminati. « Nos travaux montrent qu’il est possible d’utiliser le matériau lui-même pour contrôler la manière dont les ondes se propagent. C’est un vrai changement de paradigme. Produire des matériaux spécifiquement transparents pour un domaine spectral sur lequel on ne s’attend pas à ce qu’ils soient transparents n’est que l’une des nombreuses possibilités qui s’offrent à nous. »

Le chercheur précise tout de même qu’il reste un long chemin jusqu’aux applications liées à ces matériaux denses et transparents, même si le potentiel pour créer des matériaux aux propriétés optiques très variées est bien présent. Par exemple, il serait possible de fabriquer un matériau dont les particules s’arrangent parfaitement spatialement lorsqu’on applique un champ électrique externe, permettant de passer d’un matériau opaque à un matériau transparent instantanément !

Les matériaux hyperuniformes pourraient aussi être utilisées dans le domaine photovoltaïque puisqu’il devient en principe possible de contrôler la manière dont une lumière diffuse pénètre un matériau et est absorbée par les particules. Un matériau peut être rendu très absorbant sur une large gamme de longueurs d’ondes, ce qui permettrait de convertir la lumière en énergie avec une meilleure efficacité.

Enfin, puisque les ondes lumineuses ont un comportement similaire à celui des ondes acoustiques ou quantiques, des matériaux denses et transparents sont théoriquement envisageables pour d’autres types d’ondes. « Ce que nous avons démontré n’est pas spécifique à l’optique”, confirme R. Carminati. “Cela s’applique plus généralement à la physique des ondes, et pourraient ouvrir la voie à des développements dans d’autres domaines. »

Publication :

O. Leseur, R. Pierrat, R. Carminati, "High-density hyperuniform materials can be transparent," Optica, 3, 7, 376 (2016). DOI : 10.1364/optica.3.000763