Physique24.08.2017

Les étonnantes propriétés optiques des matériaux hyperuniformes


L’équipe de chercheurs des Professeurs Frank Scheffold et Luis Salvador Froufe-Pérez est parvenue à décrypter et à classer systématiquement la totalité des propriétés optiques des matériaux «hyperuniformes». Les connaissances ainsi acquises serviront de base au développement de semi-conducteurs optiques. A l’avenir, ceux-ci pourraient, en raison de leur plus grande performance, remplacer l’électronique dans de nombreux domaines.

En collaboration avec des collègues basés en Espagne et en Allemagne, des chercheurs de l’Université de Fribourg ont découvert, à l’aide de simulations numériques, que, selon l’intensité de l’ordre local et la longueur d’onde (couleur) de la lumière, des propriétés optiques totalement différentes pouvaient se manifester, de transparentes à blanches et entièrement réfléchissantes. Les connaissances ainsi acquises constituent une base pour la conception et le développement de matériaux photoniques et amorphes reposant sur le concept d’hyperuniformité.

Comme pour le blanc d’œuf, l’aspect varie selon la structure
Sur le plan optique, les solides et les liquides non-métalliques peuvent très largement différer les uns des autres. La structure de la matière joue ici un grand rôle. On trouve des matériaux transparents, mais aussi blanc opaque et réfléchissants, comme les opales. Un seul et même matériau peut ainsi être d’abord transparent, puis blanc, du fait d’un changement de structure, comme c’est le cas du blanc d’œuf lorsqu’on cuit un œuf au plat. A la limite, il est possible de fabriquer un matériau parfaitement réfléchissant en utilisant un certain spectre de couleurs.

Des propriétés semi-conductrices très prometteuses
Les semi-conducteurs photoniques jouent un rôle important en physique des lasers. Ils promettent des applications révolutionnaires en photonique, c’est-à-dire l’émission et le traitement de signaux lumineux. A l’avenir, ils pourraient remplacer l’électronique dans de nombreux domaines, en raison du gain de vitesse.
On sait déjà depuis longtemps que les structures cristallines possèdent de telles propriétés semi-conductrices dans certaines conditions. L’existence de matériaux uniformément désordonnés, ou «amorphes», possédant ces propriétés spécifiques a été avancée pour la première fois en 2009 par une équipe de chercheurs de l’Université de Princeton (USA). Ces systèmes totalement nouveaux, conçus par ordinateur, sont connus depuis sous le nom de «matériaux hyperuniformes».