KNOXVILLE, TN, 11 janvier 2025 /24-7PressRelease/ -- Des scientifiques de KAUST et leurs partenaires ont développé un film de silicium ultra-mince intégré avec des nanoringes en argent pour améliorer l'absorption de la lumière. En optimisant les interactions entre la cavité et les modes plasmoniques et en tirant parti de l'apprentissage profond, ils ont réussi à obtenir plus de 100 % d'amélioration du photocourant. Cette avancée promet de créer des dispositifs hautement efficaces et personnalisables, y compris des cellules solaires, des photodétecteurs et des filtres optiques.

L'absorption de la lumière est un élément fondamental pour plusieurs applications telles que les cellules solaires, les photodétecteurs et les capteurs optiques, pour n'en nommer que quelques-uns. Pourtant, le compromis entre l'épaisseur de l'absorbeur et son efficacité limite depuis longtemps la performance de ces dispositifs. L'objectif de cette investigation est de tirer le meilleur parti des deux mondes : des matériaux ultra-minces avec une absorption maximisée.

Dans un récent article publié dans Light Science & Applications, un groupe de chercheurs de l'Université des Sciences et de la Technologie du Roi Abdullah (KAUST), dirigé par le Prof. Ying Wu et le Prof. Xiangliang Zhang (actuellement à l'Université de Notre-Dame), a présenté avec succès un absorbeur de lumière à large bande efficace au sein d'une couche de silicium amorphe ultramince intégrée avec des nanoringes en argent. En combinant un design plasmonique sur mesure avec des techniques d'apprentissage profond, les chercheurs ont atteint un renforcement photonique sans précédent de plus de 100 %.

L'approche innovante de l'équipe consiste à combiner des nanoringes en argent concentriques au sein d'une couche de silicium ultramince. Ces nanoringes génèrent des plasmons de surface localisés (qui sont des oscillations collectives intrigantes de la lumière qui ont conduit, au cours des deux dernières décennies, au domaine dynamique de la plasmonique) qui se couplent avec les modes de cavité de la structure pour piéger efficacement la lumière. Cette interaction permet à la fine couche de silicium d'absorber beaucoup plus de lumière sans augmenter son épaisseur physique.

Une contribution clé de cette étude consiste à tirer parti des techniques d'apprentissage profond pour optimiser davantage le design. À cet égard, les scientifiques ont développé deux réseaux neuronaux sur mesure : un réseau de prédiction de réponse (RPN) pour prédire les spectres d'absorption pour des paramètres de méta-absorbeur donnés, et un réseau de prédiction de design (DPN) pour résoudre le problème inverse, c'est-à-dire trouver le meilleur design pour un spectre d'absorption souhaité. L'étude proposée montre qu'elle réduit considérablement le temps et les ressources informatiques nécessaires pour le design des métamatériaux.

"Notre cadre d'apprentissage automatique nous permet d'explorer d'énormes espaces de design et de suggérer les paramètres optimaux avec une précision incroyable", note le Prof. Wu. Cette approche a abouti à un renforcement photonique remarquable de plus de 100 % par rapport aux absorbeurs de lumière les plus performants précédents. L'étude se distingue également par sa combinaison de prédictions théoriques et numériques ainsi que de validations expérimentales optiques. Le spectre d'absorption de l'absorbeur metascreen fabriqué concorde avec les résultats simulés, confirmant la praticité du design. Les applications potentielles de cette recherche sont vastes : une absorption de lumière améliorée ouvre des possibilités pour des panneaux solaires plus efficaces, des photodétecteurs avancés et des filtres optiques précis sur mesure. Au-delà de l'énergie et de la détection, la capacité de contrôler précisément les propriétés optiques des matériaux pourrait également entraîner des avancées dans les technologies de télécommunication, de santé et d'imagerie.

"Ce travail non seulement fait avancer notre compréhension des méta-absorbeurs plasmoniques, mais il montre aussi comment l'apprentissage profond informé par la physique peut redéfinir le processus de design et d'optimisation", ajoute le Prof. Wu.

À l'avenir, l'équipe prévoit d'explorer d'autres géométries et configurations pour repousser les limites de ce qui est possible avec différents types de métasurfaces. De plus, enquêter sur le déploiement de ces absorbeurs dans des contextes réels, tels que des dispositifs photovoltaïques, est la prochaine étape naturelle pour le groupe. La combinaison d'une modélisation physique avancée et d'un design piloté par l'IA est prête à débloquer de nouvelles possibilités dans l'optique et la photonique, ouvrant la voie à des dispositifs hautement efficaces et personnalisables.

Références
DOI
10.1038/s41377-024-01723-8

URL de la source originale
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01723-8

Informations sur le financement
Ce travail a été soutenu par le Fonds d'Initiative en Intelligence Artificielle de l'Université des Sciences et de la Technologie du Roi Abdullah (KAUST), le Fonds de Recherche de Base KAUST No. BAS/1/1626-01-01, et le Bureau de Recherche Sponsorisée de KAUST sous les subventions No. OSR-2020-CRG9-4374 et OSR-2022-CRG11-5055.

À propos de Light: Science & Applications
Le Light: Science & Applications publiera principalement de nouveaux résultats de recherche sur des sujets de pointe et émergents en optique et photonique, ainsi que sur des sujets traditionnels en ingénierie optique. La revue publiera des articles originaux et des revues de haute qualité, d'intérêt élevé et ayant des conséquences étendues.

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