Le guide d'ondes composé de bisulfure de tungstène a été développé par les ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego. Il ne comporte que trois couches d'atomes et constitue le dispositif optique le plus fin au monde ! Les chercheurs ont publié leurs résultats le 12 août dansNature Nanotechnologie.

Le nouveau guide d'ondes mesure environ 6 angströms (1 angström = 10^-10mètres), 10 000 fois plus fine qu’une fibre classique et environ 500 fois plus fine qu’un dispositif optique sur puce dans un circuit photonique intégré. Il se compose d’une seule couche de disulfure de tungstène suspendue sur un cadre en silicium (une couche d’atomes de tungstène est prise en sandwich entre deux atomes de soufre) et la monocouche forme un cristal photonique à partir d’une série de motifs nanopores.

Ce cristal monocouche est spécial car il supporte des paires électron-trou appelées excitons. À température ambiante, ces excitons génèrent une forte réponse optique telle que l'indice de réfraction du cristal est environ quatre fois supérieur à l'indice de réfraction de l'air autour de sa surface. En revanche, un autre matériau ayant la même épaisseur n'a pas un indice de réfraction aussi élevé. Lorsque la lumière traverse le cristal, elle est capturée en interne et conduite le long du plan par réflexion interne totale.

Le guide d’ondes canalise la lumière dans le spectre visible est une autre particularité. Le guidage d'ondes a déjà été démontré avec le graphène, qui est également atomiquement mince, mais aux longueurs d'onde infrarouges. L'équipe a démontré pour la première fois le guidage d'ondes dans la région visible. Des trous de taille nanométrique gravés dans le cristal permettent à une partie de la lumière de se diffuser perpendiculairement au plan afin qu'elle puisse être observée et sondée. Cet ensemble de trous produit une structure périodique qui fait également du cristal un résonateur.

Cela en fait également le résonateur optique pour la lumière visible le plus fin jamais démontré expérimentalement. Ce système améliore non seulement de manière résonnante l’interaction lumière-matière, mais sert également de coupleur de réseau de second ordre pour coupler la lumière dans le guide d’ondes optique.

Les chercheurs ont utilisé des techniques avancées de micro et nanofabrication pour créer le guide d’ondes. La création de la structure a été particulièrement difficile. Le matériau est atomiquement mince, les chercheurs ont donc mis au point un processus pour le suspendre sur un cadre en silicium et le modeler avec précision sans le casser.

Le guide d'ondes au bisulfure de tungstène est une preuve de concept permettant de réduire le dispositif optique à des tailles bien inférieures à celles des dispositifs actuels. Cela pourrait conduire au développement de puces photoniques de plus haute densité et de plus grande capacité.