The creation of a material that absorbs the majority, if not all light, would improve the effectiveness of health-related equipment. Michael Reimer, a faculty member at the Institute for Quantum Computing and researcher in Electrical and Computer Engineering at the University of Waterloo, has set his sights on creating an artificially engineered material, known as a metamaterial, to do just that. Reimer and his research team have achieved this goal and developed a new class of materials that absorbs light better than anything that has existed to-date.
“This new research discovery will have significant implications for wavelengths used in dose monitoring for cancer treatments, telecommunications, defence and optical coherence tomography to detect blinding diseases sooner,” said Reimer.
Reimer’s team includes postdoctoral fellow Sasan V. Grayli; PhD students Brad van Kasteren, who developed the numerical calculation and design, and Burak Tekcan, who worked in the Quantum Nano Fabrication and Characterization Facility at Waterloo to realize the nanowires as close as possible to the shape of the nanostructures used in modeling; and a collaboration with Professor Zbig Wasilewski from the Department of Electrical and Computer Engineering, who grew the high-quality semiconductor material used to fabricate the nanowires. Together, they made a new class of material that is able to absorb over 99% of light. By carefully designing the shape of the nanowires and the spacing between them, the team demonstrated the ability of the metamaterial to absorb light over a broadband range of wavelengths.
“We showed a very good agreement between the theory that we have developed to explain the absorption characteristics of the nanowire array and the experimental work. It’s remarkable that we were able to measure 93% absorption efficiency over an unprecedented spectral range, from 900 nm to 1650 nm,” said Grayli.
Now that Reimer has this new material, the next step is to incorporate it into devices. The first device his team is trying to realize is a detector capable of measuring single particle of light, also known as photons. In the longer term, he is trying to make a single photon-sensitive camera for eye imaging.
“What’s nice about all these detectors – like the single photon detector — is that in the short-wave infrared region, existing portable single photon detectors based on semiconductors have a limited efficiency of 25%. Since we can absorb over 90% of the light, it will significantly improve the efficiency of the detectors for the related applications,” said Reimer.
In the context of eye health, currently, if high efficiency monitoring and detection is desired for the area outside of what your eye can see, superconducting nanowire detectors that transport electrical charges without resistance at the nanoscale are required. The portability and usability of these detectors has always been a limitation of their use given they need to be cooled to three kelvin. Conversely, semiconductor technology including what Reimer is working on with his team is portable, and with this project they are developing a new semiconductor photodetector with higher efficiency than all other semiconductor-based detector technologies to date. Previous silicon and alloy-based photodetectors used for eye imaging have a limited efficiency at wavelengths of light between 800 nm and 1000 nm, also known as the valley of death. The creation of this new material that provides higher absorption will have benefits in the kind of applications that are working in the wavelength range of 900 nm - 1650 nm.
For this experiment, the researchers used a broadband light source to illuminate the fabricated metamaterial and measured the amount of light that was reflected by it and transmitted through it. This allowed them to deduce how much light was absorbed by the material. The nanowires typically act as waveguides to direct the light, but with careful arrangement of the nanowires in an array, the portion of the light that is not trapped in the individual nanowire can be collected by the neighbouring nanowires, leading to over 90% absorption of the incident light. Much effort has gone into tailoring the shape for the nanowires so that they no longer act like a bulk material that reflects a significant amount of light, and instead creates a mechanism for improved light absorption due to their spacing.
With the development of this new material, which promises more light absorption, Reimer believes there will be large-scale healthcare and telecommunications implications. Returning to the research, Reimer is now directing his attention to the surface of the nanowires to avoid unwanted false signals on the detector to reach the single photon level. He is looking into ways to treat the surface to lessen the amount of material noise while maintaining the high absorption characteristics of the metamaterial in the desired wavelength range. For now, they’re one step closer to higher efficiency technology that will help with detecting early signs of blindness and calibrating medicinal dosages for cancer patients.
This research was supported in part by the Canada First Research Excellence Fund through the Transformative Quantum Technologies (TQT) program.
Semiconductor nanowire metamaterial for broadband near-unity absorption was published in Scientific Reports on June 11, 2022.
An optical microscope image (left) of the new Indium Gallium Arsenide (InGaAs) metamaterial showing almost no light scattering, and a zoomed in scanning microscope image (right) of the nanowire structure.
Un nouveau matériau absorbant la lumière améliorera l'imagerie oculaire et la surveillance des doses de médicaments contre le cancer
La création d’un matériau absorbant la plus grande partie sinon la totalité de la lumière améliorerait l’efficacité d’équipements médicaux. Michael Reimer, professeur à l’Institut d’informatique quantique ainsi que chercheur en génie électrique et informatique à l’Université de Waterloo, a entrepris de créer un matériau composite artificiel, ou métamatériau, ayant exactement cette propriété. M. Reimer et son équipe de chercheurs ont atteint leur objectif et mis au point une nouvelle classe de matériaux qui absorbent la lumière mieux que tout ce qui existait auparavant. Les citations de cet article sont traduites de propos tenus en anglais par M. Reimer et Sasan V. Grayli.
« Cette découverte aura des répercussions importantes dans le cas de longueurs d’ondes utilisées pour la surveillance des doses de médicaments utilisés pour le traitement de cancers, a déclaré M. Reimer, de même que pour les télécommunications, pour le domaine de la défense et pour la tomographie par cohérence optique permettant de détecter plus tôt des maladies oculaires. »
L'équipe de M. Reimer comprend : le postdoctorant Sasan V. Grayli;; le doctorant Brad van Kasteren, auteur de la conception et de la modélisation numérique du matériau; le doctorant Burak Tekcan, qui a travaillé dans l’installation de fabrication et caractérisation nanométriques quantiques de Waterloo pour fabriquer des nanofils ayant une forme aussi voisine que possible de celle des nanostructures employées dans la modélisation. L’équipe a également collaboré avec le professeur Zbig Wasilewski, du Département de génie électrique et informatique, qui a réalisé le matériau semiconducteur de grande qualité utilisé pour fabriquer les nanofils. Ensemble, ces chercheurs ont mis au point une nouvelle catégorie de métamatériaux capables d’absorber plus de 99 % de la lumière. Grâce à une conception soignée de la forme et de l’espacement des nanofils, l’équipe a démontré la capacité de ces métamatériaux à absorber la lumière dans une gamme étendue de longueurs d’onde.
« Nous avons montré que le travail expérimental est en accord avec la théorie que nous avions élaborée pour expliquer les caractéristiques d’absorption du réseau de nanofils, a déclaré M. Grayli. Il vaut la peine de souligner que nous avons pu mesurer une efficacité d’absorption de 93 % dans une région inédite du spectre, de 900 nm à 1 650 nm. »
Maintenant que l’équipe de M. Reimer a créé ce nouveau matériau, la prochaine étape consiste à l’incorporer dans divers dispositifs. Le premier que son équipe tente de construire est un détecteur capable de mesurer une seule particule de lumière, c’est-à-dire un photon individuel. L’objectif à plus long terme est de fabriquer une caméra sensible à des photons individuels pour l’imagerie oculaire.
« Ce qui est bien à propos de ces nouveaux détecteurs — comme le détecteur de photons individuels —, dit M. Reimer, c’est que dans l’infrarouge proche, les détecteurs portatifs actuels à base de semiconducteurs ont une efficacité de seulement 25 %. Comme nous pouvons maintenant absorber plus de 90 % de la lumière, cela améliorera sensiblement l’efficacité des détecteurs pour les applications en question. »
Actuellement, dans le contexte de la santé oculaire, pour atteindre une grande efficacité de surveillance et de détection à l’extérieur du spectre visible, il faut des détecteurs formés de nanofils supraconducteurs qui transportent des charges électriques sans résistance à l’échelle nanométrique. La portabilité et la facilité d’utilisation de ces détecteurs sont toujours limitées par la nécessité de les refroidir à 3 kelvins. À l’opposé, les détecteurs à semiconducteurs, y compris ceux sur lesquels travaille M. Reimer, sont portables, et le projet actuel consiste à mettre au point un nouveau photodétecteur à semiconducteurs plus efficace que tout ce que l’on a réussi jusqu’à maintenant. Les photodétecteurs précédents à base de silicium et d’alliage utilisés en imagerie oculaire ont une efficacité limitée dans les longueurs d’onde allant de 800 nm et 1 000 nm, aussi appelées « la vallée de la mort ». Le nouveau matériau absorbant davantage de lumière apportera des avantages pour les applications fonctionnant dans la gamme de longueurs d’onde allant de 900 nm à 1 650 nm.
Dans cette expérience, les chercheurs ont éclairé le nouveau métamatériau avec une source lumineuse à large spectre. En mesurant la quantité de lumière réfléchie et la quantité de lumière transmise par ce matériau, ils ont pu en déduire la quantité de lumière absorbée. Les nanofils agissent essentiellement comme des guides d’ondes dirigeant la lumière, mais si l’on dispose avec soin les nanofils en réseau, la partie de la lumière qui n’est pas absorbée par un nanofil donné peut être recueillie par les nanofils voisins, ce qui entraîne une absorption de plus de 90 % de la lumière incidente. Une grande partie du travail a consisté à concevoir la forme des nanofils de telle sorte qu’ils n’agissent plus comme un matériau volumineux reflétant une grande quantité de lumière, mais qu’en raison de leur espacement ils constituent un mécanisme permettant une meilleure absorption.
M. Reimer croit que ce nouveau matériau capable d’une meilleure absorption de la lumière aura des répercussions importantes dans les domaines des soins de santé et des télécommunications. Pour revenir au travail de recherche, M. Reimer concentre maintenant son attention sur la surface des nanofils, afin d’éviter que de faux signaux indésirables atteignant le détecteur ne se manifestent à l’échelle des photons individuels. Michael Reimer cherche des manières de traiter la surface des nanofils afin de diminuer le niveau de bruit dû au métamatériau tout en conservant ses caractéristiques de grande absorption dans la gamme de longueurs d’onde voulue. Son équipe est maintenant plus proche d’une technologie hautement efficace qui aidera à détecter des signes précoces de cécité et à doser des médicaments utilisés pour le traitement de cancers.
Ces recherches ont été financées en partie par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada, par l’intermédiaire du programme Technologies quantiques transformatrices (TQT).
L’article intitulé Semiconductor nanowire metamaterial for broadband near-unity absorption (Métamatériau de nanofils semiconducteurs capable d’une absorption presque parfaite dans un large spectre) a été publié le 11 juin 2022 dans Scientific Reports.
Image au microscope optique (à gauche) d’une pellicule du nouveau métamatériau d’arséniure d’indium-gallium (InGaAs) ne montrant presque aucune diffusion de lumière, et image au microscope électronique à balayage (à droite) montrant le détail de la structure de nanofils.