Comment faire passer la lumière par le chas d'une aiguille sans qu'elle ne s'élargisse ✛ ✎

Original: "Focusing of light beyond the diffraction limit"
· K. R. Chen
arXiv:0901.4623 · 2009-01-29 · arXiv non-exclusive · analyse indépendante · 2 min
Une lentille plasmonique à deux fentes focalise la lumière en une ligne plus fine que la demi-longueur d'onde, et cette lumière se propage au loin au lieu de s'éteindre à la surface.

Le faisceau d'une lampe de poche, après avoir traversé une fente étroite, ne reste pas un fin ruban, mais s'étale sur les côtés. La lumière a tendance à contourner les bords des obstacles, et c'est pourquoi le plus petit point lumineux que l'on puisse obtenir avec une lentille ordinaire ne peut être inférieur à la moitié de la longueur d'onde. Cette limite semblait infranchissable, jusqu'à ce que vienne l'idée de faire passer la lumière par le chas d'une aiguille tout en la gardant fine.

Au lieu d'une seule fente, deux fentes de seulement 80 nanomètres de large sont pratiquées dans le film d'argent, et des rainures sont creusées à côté. Lorsque la lumière frappe cette structure, elle excite à la surface du métal des ondes d'électrons qui agissent comme des guides invisibles.

Ces ondes de surface attrapent la lumière transmise et la courbent vers le centre, comme deux mains qui compriment un jet d'eau. Résultat : derrière le film se forme une ligne lumineuse qui non seulement ne s'étale pas, mais au contraire se resserre. Au moment de la plus grande constriction, sa largeur est de 0.286 fois la longueur d'onde, alors que la limite pour les lentilles ordinaires est de 0.5.

Par le passé, des tentatives similaires butaient sur le fait que la lumière comprimée restait collée à la surface et ne pouvait pas s'éloigner. Ici, les calculs montrent que le flux d'énergie est dirigé depuis le film, ce qui signifie que la lumière focalisée est capable de se propager sur une certaine distance. C'est comme si un jet, après être passé par le chas d'une aiguille, ne se dispersait pas immédiatement, mais continuait son chemin en un faisceau étroit.

Cette approche pourrait être utile partout où l'on doit travailler avec des détails très fins : dans la fabrication de micropuces, l'enregistrement de données, l'observation de cellules vivantes. La lumière que l'on a appris à faire passer par le chas d'une aiguille et à garder fine ouvre la voie à des instruments capables de voir ce qui est plus petit que la longueur d'onde.

La diffraction a été décrite pour la première fois par Léonard de Vinci au XVe siècle, et une description précise a été donnée par Francesco Grimaldi au XVIIe siècle. La largeur de la fente dans la lentille simulée (80 nm) est presque 8 fois plus petite que la longueur d'onde de la lumière (633 nm).

Scientifiques
William Lawrence BraggMichael FaradayHendrik LorentzWillebrord Snellius
Notions
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