Nanoantennes commutables électriquement développées pour la technologie vidéo holographique

Par Université de Stuttgart
20 novembre 2021

Les chercheurs développent des nanoantennes commutables électriquement comme base de la technologie vidéo holographique. Crédit : Université de Stuttgart/PI4, Julian Karst

Sentiment réel lors de vidéoconférences en ligne

La visioconférence a joué un rôle clé pendant la pandémie de Covid-19 et devrait dominer de nombreuses réunions à l’avenir. Pour réaliser le vrai sentiment d’un dialogue en face à face, une vidéo en trois dimensions est nécessaire et pourtant la technologie holographique fait toujours défaut. Des chercheurs de l’Université de Stuttgart en Allemagne ont maintenant introduit une toute nouvelle approche pour réaliser de tels affichages holographiques dynamiques, basés sur des nanoantennes plasmoniques commutables électriquement à partir de polymères métalliques conducteurs. Cet élément clé fournit la technologie manquante pour permettre des affichages holographiques au débit vidéo, ce qui permettrait des conférences virtuelles avec un sentiment de « vie réelle ». L’article détaillant ce travail a été publié dans la principale revue Science le 28 octobre 2021.

Réunion virtuelle à l’avenir : le membre de la conférence sur la droite porte des lunettes VR/AR, qui affichent un hologramme de la dame sur la gauche. Crédit : Université de Stuttgart/PI4, Julian Karst

Les hologrammes créant des images statiques tridimensionnelles impressionnantes sont bien connus. Les hologrammes dynamiques commutables à des débits vidéo utilisant les données d’une connexion Internet haut débit ne sont pas possibles jusqu’à présent. Auparavant, le facteur limitant était la résolution d’affichage. Les images holographiques nécessitent une résolution de 50 000 dpi (pixels par pouce), soit 100 fois plus que les meilleurs écrans de smartphone. Pour une telle résolution, il faut réduire la taille du pixel à un demi-micromètre (un millième de millimètre). Cependant, la technologie à cristaux liquides actuelle ne permet pas des pixels aussi petits, étant limités à quelques micromètres de taille de pixel.

Des chercheurs de l’Université de Stuttgart ont réussi à briser cette barrière fondamentale. Dans une collaboration interdisciplinaire entre la physique et la chimie, ils ont développé l’idée d’utiliser des nanoantennes plasmoniques commutables électriquement avec des dimensions de quelques centaines de nanomètres seulement et fabriquées à partir de polymères conducteurs.

Image au microscope électronique à balayage (MEB) de la métasurface du polymère métallique qui peut être utilisée pour la commutation électrique des nanoantennes. Crédit : Université de Stuttgart/PI4, Julian Karst

Polymères fonctionnels conducteurs comme matériau commutable approprié

Pendant plusieurs années, les chercheurs ont créé des métasurfaces qui génèrent des hologrammes statiques en 3 dimensions. Cependant, leurs composants, ou nanoantennes, étaient constitués de métaux tels que l’or ou l’aluminium qui ne pouvaient pas être commutés comme les matériaux à cristaux liquides courants. Après avoir cherché pendant plusieurs années le bon matériau, le doctorant Julian Karst et l’expert en nanophotonique Dr. Mario Hentschel du groupe du Prof. Harald Giessen, ainsi que la chimiste des polymères Prof. Sabine Ludwigs et son équipe, ont identifié des polymères électriquement conducteurs comme candidats possibles pour plasmonique commutable. Sabine Ludwigs a apporté son expertise sur la commutation électrochimique de tels polymères fonctionnels, qui était au centre du prix Nobel de chimie 2000.

Jusqu’à présent, ces matériaux étaient principalement utilisés pour le transport de courant dans les écrans flexibles et les cellules solaires. En collaboration avec la responsable de salle blanche Monika Ubl, Karst et Hentschel ont développé un procédé pour nanostructurer les polymères métalliques en utilisant une combinaison de lithographie et de gravure par faisceau d’électrons, créant ainsi les nanoantennes plasmoniques. L’équipe a montré que l’apparence optique des nanoantennes pouvait être commutée entre celle d’un métal brillant et celle d’un matériau transparent en appliquant une tension comprise entre moins et plus un volt. Cet effet de commutation fonctionne même à des fréquences vidéo de 30 Hertz. Bien qu’elles n’aient que quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur et moins de 400 nanomètres de taille, les nanoantennes font le même travail que les cristaux liquides beaucoup plus gros et plus épais utilisés dans la technologie de pointe actuelle. Ces nouveaux appareils atteignent les densités de pixels requises d’environ 50 000 dpi.

A gauche : Image montrant la nanoantenne polymère plasmonique, commutée dans l’état diélectrique (vitreux). Le faisceau lumineux du bas traverse juste le haut sans être dévié. A droite : Image montrant la nanoantenne polymère plasmonique, commutée à l’état métallique. Le faisceau lumineux du bas est dévié sur le côté lorsqu’il traverse l’échantillon. La lumière change également de sens manuel (voir le sens de rotation différent de la lumière en spirale) lorsqu’elle se déplace vers le haut. Crédit : Université de Stuttgart/PI4, Julian Karst

Karst a créé une simple métasurface d’hologramme à partir des nanoantennes qui pourrait dévier un faisceau laser infrarouge de 10 degrés sur un côté en appliquant une tension. Actuellement, il travaille à rendre cette déviation disponible sous de nombreux angles pour des applications dans des dispositifs LIDAR dans des véhicules autonomes, d’un grand intérêt pour l’industrie automobile. De plus, Karst a créé un hologramme qui se comporte comme une lentille optique, qui peut être allumée et éteinte en appliquant simplement ±1 volt. Cette technologie est cruciale pour les futurs appareils photo ou capteurs optiques des smartphones qui pourraient être zoomés du grand angle au téléobjectif en commutant la tension appliquée. Actuellement, jusqu’à quatre objectifs sont nécessaires pour cette fonctionnalité.

À l’avenir, le professeur Harald Giessen et son équipe visent à traiter chaque pixel individuellement, pour modifier dynamiquement les hologrammes à volonté au rythme de la vidéo. De plus, les propriétés optiques des nanoantennes polymères doivent être déplacées dans la gamme de longueurs d’onde visibles, ce qui nécessite des collaborations avec des chimistes et des scientifiques des matériaux. En collaboration avec les ingénieurs, des écrans optiques intégrés et commutables dynamiquement et les premiers hologrammes mobiles pourraient être intégrés dans des lunettes AR/VR et éventuellement sur des écrans de smartphones et même des téléviseurs.

En prenant la loi de Moore pour la technologie d’affichage, cette avancée d’environ un facteur 100 pourrait se produire commercialement vers 2035.

Référence : « Nanoantennes en polymère métallique commutables électriquement » par Julian Karst, Moritz Floess, Monika Ubl, Carsten Dingler, Claudia Malacrida, Tobias Steinle, Sabine Ludwigs, Mario Hentschel et Harald Giessen, 28 octobre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abj3433

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