Métasurfaces et matériaux accordables

Approche

La nanophotonique a permis le développement de nouveaux moyens de contrôle de l’interaction lumière-matière à l’échelle nanométrique. Notamment, les progrès récents dans les domaines de la plasmonique et des métamatériaux diélectriques ont rendu possible la conception et la fabrication de dispositifs optiques plats dont les performances pourraient surpasser celles des composants optiques classiques. Cependant, moduler dynamiquement les propriétés physiques des dispositifs à l’échelle nanométrique reste un challenge à l’heure actuelle. De nombreuses méthodes plus ou moins efficaces existent pour moduler la réponse d’un système photonique. Une liste non exhaustive comprendrait les systèmes électromécaniques, les cristaux liquides, les modulations thermiques, l’optique non linéaire et les effets piézoélectriques… Dans ce groupe, nous explorons des méthodes émergentes pour créer des dispositifs nanophotoniques accordables et activement modulables.

Thématiques

Métasurfaces à base de Matériaux à Changement de Phase

Les matériaux à changement de phase constituent une classe de matériaux aux propriétés physiques uniques: leur agencement structurel peut être modifié rapidement et de manière réversible par un signal externe (thermique, électrique ou optique). Mais ce qui les rend uniques est la modification importante de leur indice de réfraction (Δn ≥ 1) résultant de ce réarrangement cristallographique. Une modulation d’indice de réfraction aussi large et rapide permet de contrôler activement les propriétés optiques des dispositifs à l’échelle nanométrique. Entre autres projets, nous étudions actuellement: (i) les métasurfaces à base de VO2 pour le contrôle dynamique de l’interaction lumière-matière; (ii) des réseaux de pixels à base de GeSbTe pour le beam-steering et la mise en forme de faisceau; (iii) les matériaux à changement de phase émergents à faible pertes optiques (Sb2S3, GSST,…).

Oxydes transparents conducteurs accordables

Les oxydes conducteurs transparents tels que l’ITO présentent une fréquence plasma dans la gamme infrarouge. L’injection de porteurs libres dans ce type de matériau permet de modifier la fréquence plasma et donc la dispersion optique. En d’autres termes, leurs propriétés optiques peuvent être modulées électriquement. Nous étudions ici le potentiel des couches minces d’oxydes dopés à des concentrations variables, et donc présentant une fréquence plasma modulable, pour des applications plasmoniques accordables. Cela pourrait ouvrir des perspectives intéressantes pour les capteurs plasmoniques large bande dans la gamme du moyen infrarouge.

Métamatériaux Hyperboliques

Les métamatériaux hyperboliques (HMM) sont des structures multicouches uniaxialement anisotropes dont les permittivités diélectriques sont de signes opposés. Dans ce sujet, grâce à une forte collaboration avec le groupe Hétéroépitaxie et nanostructure, nous étudions le potentiel des oxydes fonctionnels fabriqués par croissance épitaxiale dans des structures multicouches. Le contrôle à l’échelle nanométrique du dopage et des épaisseurs des différentes couches minces permet un contrôle ultime du comportement hyperbolique résultant. De tels dispositifs présentent des opportunités intéressantes pour les applications telles que les lentilles plates ou le contrôle de l’émission spontanée.

Personnels

• Coordinateur : Sébastien Cueff
• Permanents: Lotfi Berguiga, Xavier Letartre, Christelle Monat, Christian Grillet, Hai Son Nguyen, Fabio Pavanello, Régis Orobtchouk, Pedro Rojo Romeo, José Pénuelas, Guillaume Saint-Girons
• Doctorants : Arnaud Taute, Fouad Bentata, Capucine Laprais, Adam Bieganski
• Anciens membres: Jimmy John (maintenant Ingénieur au CEA)

Projets en cours

• ANR MetaOnDemand: On-demand metasurfaces through individual control of pixelated phase-change materials (2021-2024)
• ANR Snapshot: Switchable Nanolayers for Photonics on Silicon: towards novel High-efficiency Optoelectronics building blocks (2016-2019)

Publications récentes

• « Tunable Optical Anisotropy in Epitaxial Phase-Change VO2 Thin-Films »
  J. John, A. Slassi, J. Sun, Y. Sun, R. Bachelet, J. Pénuelas, G. Saint-Girons, R. Orobtchouk, S. Ramanathan, A. Calzolari and S. Cueff,
  Nanophotonics 11, 3913 (2022)
• « Space and Time Modulations of Light with Metasurfaces: Recent Progress and Future Prospects. »
  E. Mikheeva, C. Kyrou, F. Bentata, S. Khadir, S. Cueff, P. Genevet
  ACS Photonics 9, 5, 1458–1482 (2022) – Selected as “Editors’ choice”
• “Ultimate phase sensitivity in surface plasmon resonance sensors by tuning critical coupling with phase change materials”
  L Berguiga, L. Ferrier, C. Jamois, T. Benyattou, X. Letartre, S. Cueff
  Optics Express 29 (25), 42162-42175 (2021)
• « Tunable Mie-resonant dielectric metasurfaces based on VO2 phase-transition materials« ,
  A. Tripathi, J. John, S. Kruk, Z. Zhang, H.S. Nguyen, L. Berguiga, P. Rojo Romeo, R. Orobtchouk, S. Ramanathan, Y. Kivshar, S. Cueff,
  ACS Photonics 8 (4), 1206 (2021)
• “Reconfigurable Flat Optics with Programmable Reflection Amplitude Using Lithography-Free Phase-Change Materials Ultra-Thin Films”.
  S. Cueff, A. Taute, A. Bourgade, J. Lumeau, S. Monfray, Q. Song, P. Genevet, B. Devif, X. Letartre and L. Berguiga.
  Advanced Optical Materials 9 (2), 2001291 (2020)
• « VO2 Nanophotonics« ,
  S. Cueff, J. John, Z. Zhang, J. Parra, J. Sun, R. Orobtchouk, S. Ramanathan and P. Sanchis,
  APL Photonics 5 (11), 110901 (2020) – Selected as “Featured”
• “Multipolar resonances with designer tunability using VO2 phase-change materials”,
  J. John, Y. Gutierrez, Z. Zhang, H., S. Ramanathan, R. Orobtchouk, F. Moreno and S. Cueff,
  Physical Review Applied 13, 044053 (2020)
• “Perovskite-oxide based hyperbolic metamaterials”,
  M. Bouras, D. Han, S. Cueff, R. Bachelet, G. Saint-Girons,
  ACS Photonics 6, 1755 (2019)