Une équipe de l’EPFL a développé des structures de silicium ultraminces capables d’ajuster rapidement leur interaction avec la lumière. Ce procédé résout un défi photonique pour les communications avancées, la détection et les technologies quantiques.La lumière dans la partie moyenne de l’infrarouge (IR) du spectre électromagnétique joue un rôle clé dans la détection moderne. Du fait que les molécules interagissent de manière spécifique avec ce type de lumière, les scientifiques utilisent des technologies, telles que la spectroscopie dans l’infrarouge moyen pour identifier des matériaux biologiques, des médicaments et des polluants. La lumière infrarouge moyen peut aussi servir de support d’information dans les communications optiques en espace libre, où les données sont transmises par voie aérienne sans câbles ni fibres. Un meilleur contrôle de la lumière dans le moyen IR pourrait donc permettre de développer des détecteurs plus sensibles et des communications plus rapides.Une des voies pour parvenir à ce type de contrôle est les métasurfaces. Ces structures ultraminces sont construites à partir de motifs nanométriques capables de façonner et de diriger les ondes lumineuses. Malheureusement, la plupart des métasurfaces développées jusqu’à présent sont statiques: une fois fabriquées, leurs propriétés optiques sont fixes, ce qui limite leur utilisation dans les systèmes photoniques réels.Une équipe dirigée par Hatice Altug, professeure au Laboratoire des systèmes bionanophotoniques (BIOS) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL, a surmonté cet écueil grâce à des métasurfaces basées sur des membranes suspendues de silicium cristallin. En induisant des porteurs de charge électrique mobiles dans le silicium lui-même, les scientifiques peuvent modifier en temps réel la façon dont les métasurfaces réagissent à la lumière, sans changer leur structure physique. Ces dispositifs atteignent aussi des performances optiques record, avec des résultats supérieurs de plus d’un ordre de grandeur sur des paramètres clés par rapport aux plateformes dans l’infrarouge moyen précédentes basées sur des matériaux similaires.«En utilisant du silicium cristallin dont la couche nanostructurée est suspendue dans l’air, nous avons pu réduire considérablement les pertes optiques qui limitent généralement les plateformes conventionnelles dans l’infrarouge moyen», explique Hatice Altug. Ces travaux ont été publiés dans Nature Communications.Figure 2: Obtention de facteurs de qualité ultra-élevés dans les métasurfaces dans l'infrarouge moyen. EPFL BIOS CC BY SA 4.0De la milliseconde au milliardième de secondeComme l’explique Ivan Sinev, chercheur senior au BIOS, l’équipe a démontré deux méthodes de réglage des métasurfaces sans modifier leur nanostructure. «Dans une approche, nous utilisons des électrodes intégrées comme microchauffeurs pour induire des changements dans les propriétés optiques du silicium des milliers de fois par seconde à travers un courant électrique. Dans une autre, nous avons utilisé des impulsions laser ultrarapides pour induire ces changements, permettant ainsi aux métasurfaces de réagir en un milliardième de seconde, soit une nanoseconde. »Cette manipulation rapide et en temps réel des signaux lumineux pourrait aider les systèmes de communication à transmettre l’information plus efficacement et permettre la mise au point de capteurs s’adaptant rapidement à des conditions changeantes.«Notons que les performances optiques record de notre plateforme ne se font pas au détriment de la mise à l’échelle, car nous utilisons des techniques de fabrication déjà compatibles avec la production de semi-conducteurs à grande échelle», souligne le premier auteur, Felix Brikh.Une plateforme pour la photonique dans l’infrarouge moyenPlutôt que de créer un dispositif unique, ces travaux mettent en place une plateforme polyvalente pour les futures technologies dans l’infrarouge moyen. En particulier, cette plateforme pourrait permettre la conception de dispositifs compacts et de faible consommation pour les communications optiques en espace libre, ainsi que pour la détection chimique et biologique hautement sélective et adaptative. Elle pourrait aussi contribuer au développement de technologies de refroidissement radiatif actif afin d’aider les surfaces à évacuer la chaleur, par exemple dans des applications de réfrigération ou de gestion thermique des satellites.À plus long terme, la combinaison de performances optiques élevées et de réglage rapide pourrait soutenir des applications photoniques avancées reposant sur un contrôle précis de la lumière, telles que la spectroscopie quantique.FinancementSecrétariat d'État à la formation, à la recherche et à l'innovation (SERI)Programme-cadre de recherche et d'innovation Horizon EuropeProgramme fédéral de leadership académique Priorité 2030Overseas Outstanding Youth of Shandong ProvinceNational Natural Science Foundation of ChinaDepartment of Science and Technology of Shandong ProvinceFinancement open access de l'EPFLRéférencesBrikh, F.U., Ezerskii, A., Pashina, O. et al. Mid-IR light modulators enabled by dynamically tunable ultra-high-Q silicon membrane metasurfaces. Nature Communications, 17, 8758 (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75121-6