Les lasers à cascade quantique et le groupe de Capasso

Voici un peu plus de six ans, je gravis­sais les march­es du Pierce build­ing, à Har­vard, pour un ren­dez-vous avec Nan­fang Yu, actuelle­ment pro­fesseur à Colum­bia Uni­ver­si­ty, mais à l’époque encore jeune doc­tor­ant. Patiem­ment, Nan­fang me présente divers travaux du groupe : lentilles plas­moniques, lasers nanofils, et lasers à cas­cade quantique.

Je suis affec­té au groupe de Fed­eri­co Capas­so pour y com­mencer mon stage de recherche.

Un peu de folie

Démon­tr­er le pre­mier QCL en 1994 demandait un peu de folie ; c’était se lancer dans une entre­prise extrême­ment com­plexe mais, toute­fois, dans un envi­ron­nement excep­tion­nel comme l’était encore à l’époque le Bell Labs.

Mais, après l’éclatement de la bulle des télé­coms, le Bell Labs a vu ses ressources dimin­uer et la dias­po­ra de ces grands esprits a commencé.

Ils peu­plent aujourd’hui les lab­o­ra­toires des plus grandes uni­ver­sités à tra­vers le monde. C’est ain­si que Fed­eri­co Capas­so est devenu pro­fesseur à Har­vard en 2002.

La méthode Capasso

Notre groupe de recherche béné­fi­cie grande­ment d’un accès aisé à une salle blanche de pointe pour nos besoins en nanofab­ri­ca­tion. Et si jamais un équipement manque à Har­vard, il y a tou­jours le MIT situé à deux sta­tions de métro.

La rel­a­tive sim­plic­ité des équipements dans nos lab­o­ra­toires peut en revanche sur­pren­dre un vis­i­teur. Où sont les expéri­ences et instru­ments com­plex­es étab­lis par des généra­tions de post­docs et doctorants ?

“ Une entreprise complexe dans un environnement exceptionnel ”

Cette ques­tion touche à une par­tic­u­lar­ité de l’approche de Fed­eri­co Capas­so pour diriger son groupe de recherche. Il le dirige peu, tout du moins au pre­mier abord.

Les meilleurs résul­tats du groupe découlent générale­ment de la recette qui suit : « Rassem­bler quelques élèves et post-docs curieux et ent­hou­si­astes, mélanger, laiss­er s’épanouir les idées et écrémer. » Le résul­tat est un éton­nant mélange de direc­tions de recherche.

Si cette recette n’est cer­taine­ment pas à recom­man­der pour un usage général, elle offre de grands béné­fices péd­a­gogiques dans un cadre uni­ver­si­taire. Être doc­tor­ant avec Fed­eri­co Capas­so, c’est être con­fron­té à une grande var­iété de sujets.

Les nouveaux fruits d’une vieille technique

Des résonateurs plas­moniques en réseau, bien plus petits que la longueur d’onde, peu­vent créer un gra­di­ent de phase pour les champs qu’ils dif­fusent, si leur forme est cor­recte­ment ajustée (en haut).
Si les dif­férents résonateurs sont placés dans les dif­férents quartiers d’un disque (en bas à gauche), le fais­ceau réémis par les résonateurs aura une phase qui varie en fonc­tion de l’angle azimu­tal : un fais­ceau en « tire-bou­chon », avec un zéro d’intensité à son cen­tre (en bas au cen­tre) et un front d’onde en spi­rale (en bas : à droite) peut alors être créé.

Les dif­férentes vari­a­tions de couleurs sont obtenues en déposant de très fines couch­es de ger­ma­ni­um sur un film d’or : seule­ment 10 à 15 couch­es atom­iques de ger­ma­ni­um sépar­ent le rose du vio­let, et une autre quin­zaine per­met d’obtenir le bleu. La règle graduée est mon­trée pour don­ner une échelle de taille. © OPN, HARVARD, MIKHAIL KATS AND LULU LIU.

Le groupe a pub­lié une série d’articles à par­tir de 2011 sur des lentilles plas­moniques plates et l’optique aux inter­faces. En un sens, les con­cepts n’étaient pas nou­veaux : les ingénieurs radio les manip­u­laient depuis des décennies.

Une lentille déforme un front d’onde, par exem­ple pour con­cen­tr­er un fais­ceau lumineux, en mod­i­fi­ant la phase des ondes élec­tro­mag­né­tiques et en util­isant le fait que des ondes tra­ver­sant des milieux d’épaisseur et d’indice de réfrac­tion dif­férents accu­mu­lent divers­es phas­es au cours de leur propagation.

Notre approche est de manip­uler les fronts d’ondes élec­tro­mag­né­tiques en dis­tribuant des résonateurs plas­moniques sur une sur­face plate. En adap­tant la fréquence de réso­nance de chaque résonateur, il est pos­si­ble de chang­er la phase des ondes qu’ils réémet­tent lorsqu’ils sont excités par une fréquence don­née, et donc de for­mer le front d’onde désiré.

De cette façon, nous avons été en mesure de trans­former une inter­face entre deux milieux pour démon­tr­er l’analogie de nom­breux élé­ments optiques.

De nom­breux groupes nous ont suiv­is dans cette direc­tion, amélio­rant les tech­niques, et démon­trant par leur ent­hou­si­asme et leur suc­cès que cette « vieille tech­nique » pou­vait encore porter de nou­veaux fruits : il suff­i­sait de traduire ses con­cepts pour touch­er une nou­velle pop­u­la­tion de chercheurs.

Une passation de savoir

Ce type de « pas­sa­tion » de savoir, d’un domaine de recherche à l’autre, est devenu peu à peu une spé­cial­ité de Fed­eri­co Capas­so, met­tant en lumière son large spec­tre de con­nais­sances, mais aus­si son humil­ité. Plus d’un chercheur aurait jugé les lois de Snell-Descartes trop triv­iales pour s’y intéresser.

Le groupe suit aujourd’hui le fil des manip­u­la­tions de phase aux inter­faces et porte son atten­tion sur les pro­priétés inat­ten­dues de très fines couch­es de matéri­aux très absorptifs.

Les équa­tions de Maxwell ont peut-être plus de cent cinquante ans, mais elles cachent encore des secrets.

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