Vue d'artiste d'une métasurface constituée d'un réseau rectangulaire de nanostructures d'or rectangulaires générant des résonances de réseau de surface plasmonique. Crédit :Illustration de Yaryna Mamchur, co-auteur et étudiant d'été Mitacs de l'Université technique nationale d'Ukraine « Institut polytechnique Igor Sikorsky de Kiev, » qui a travaillé dans le laboratoire de la professeure Ksenia Dolgaleva à l'été 2019 à l'Université d'Ottawa.
Des chercheurs de l'Université d'Ottawa ont démystifié le mythe vieux de dix ans selon lequel les métaux seraient inutiles en photonique - la science et la technologie de la lumière - avec leurs découvertes, récemment publié dans Communication Nature, devrait conduire à de nombreuses applications dans le domaine de la nanophotonique.
"Nous avons battu le record du facteur de qualité de résonance (facteur Q) d'un réseau périodique de nanoparticules métalliques d'un ordre de grandeur par rapport aux rapports précédents, " a déclaré l'auteur principal, le Dr Ksenia Dolgaleva, Chaire de recherche du Canada en photonique intégrée (niveau 2) et professeur agrégé à l'École de génie électrique et informatique (EECS) de l'Université d'Ottawa.
"C'est un fait bien connu que les métaux sont très générateurs de pertes lorsqu'ils interagissent avec la lumière, ce qui signifie qu'ils provoquent la dissipation d'énergie électrique. Les pertes élevées compromettent leur utilisation en optique et photonique. Nous avons démontré des résonances à ultra-haut Q dans une métasurface (une surface artificiellement structurée) composée d'un réseau de nanoparticules métalliques intégrées à l'intérieur d'un substrat de verre plat. Ces résonances peuvent être utilisées pour une manipulation efficace de la lumière et une interaction lumière-matière améliorée, montrant que les métaux sont utiles en photonique."
« Dans les travaux antérieurs, les chercheurs ont tenté d'atténuer l'effet néfaste des pertes pour accéder aux propriétés favorables des réseaux de nanoparticules métalliques, " a observé le co-auteur principal de l'étude Md Saad Bin-Alam, un étudiant au doctorat de l'Université d'Ottawa en EECS.
"Toutefois, leurs tentatives n'ont pas permis d'améliorer significativement les facteurs de qualité des résonances des réseaux. Nous avons mis en œuvre une combinaison de techniques plutôt qu'une approche unique et obtenu une amélioration de l'ordre de grandeur démontrant un réseau de nanoparticules métalliques (métasurface) avec un facteur de qualité record."
Selon les chercheurs, les surfaces structurées - également appelées métasurfaces - ont des perspectives très prometteuses dans une variété d'applications nanophotoniques qui ne peuvent jamais être explorées en utilisant des matériaux en vrac naturels traditionnels. Capteurs, nanolasers, la mise en forme et la direction du faisceau lumineux ne sont que quelques exemples des nombreuses applications.
« Les métasurfaces constituées de nanoparticules de métaux nobles, d'or ou d'argent par exemple, présentent des avantages uniques par rapport aux nanoparticules non métalliques. Elles peuvent confiner et contrôler la lumière dans un volume à l'échelle nanométrique inférieur au quart de la longueur d'onde de la lumière (moins de 100 nm , alors que la largeur d'un cheveu est supérieure à 10 000 nm), " a expliqué Md Saad Bin-Alam.
"De façon intéressante, contrairement aux nanoparticules non métalliques, la lumière n'est pas confinée ou piégée à l'intérieur des nanoparticules métalliques mais se concentre près de leur surface. Ce phénomène est scientifiquement appelé « résonances plasmoniques de surface localisées (LSPR) ». Cette caractéristique donne une grande supériorité aux nanoparticules métalliques par rapport à leurs homologues diélectriques, car on pourrait exploiter de telles résonances de surface pour détecter des bio-organismes ou des molécules en médecine ou en chimie. Aussi, de telles résonances de surface pourraient être utilisées comme mécanisme de rétroaction nécessaire au gain laser. De telle manière, on peut réaliser un laser minuscule à l'échelle nanométrique qui peut être adopté dans de nombreuses futures applications nanophotoniques, comme la détection et la télémétrie par la lumière (LiDAR) pour la détection d'objets en champ lointain."
Selon les chercheurs, l'efficacité de ces applications dépend des facteurs Q de résonance.
"Malheureusement, en raison de la forte perte « absorbante » et « radiative » des nanoparticules métalliques, les facteurs Q des LSPR sont très faibles, " a déclaré le co-auteur principal, le Dr Orad Reshef, stagiaire postdoctoral au Département de physique de l'Université d'Ottawa.
« Il y a plus d'une décennie, les chercheurs ont trouvé un moyen d'atténuer la perte dissipative en disposant soigneusement les nanoparticules dans un réseau. À partir d'une telle manipulation de « réseau de surface », une nouvelle "résonance de réseau de surface (SLR)" émerge avec des pertes supprimées. Jusqu'à notre travail, les facteurs Q maximum signalés dans les SLR étaient d'environ quelques centaines. Bien que ces SLR signalés tôt aient été meilleurs que les LSPR à faible Q, ils n'étaient toujours pas très impressionnants pour des applications efficaces. Cela a conduit au mythe que les métaux ne sont pas utiles pour des applications pratiques."
Un mythe que le groupe a su déconstruire lors de ses travaux au Complexe de recherche avancée de l'Université d'Ottawa entre 2017 et 2020.
"En premier, nous avons réalisé une modélisation numérique d'une métasurface de nanoparticules d'or et avons été surpris d'obtenir des facteurs de qualité de plusieurs milliers, " a déclaré Md Saad Bin-Alam, qui a principalement conçu la structure de la métasurface.
"Cette valeur n'a jamais été rapportée expérimentalement, et nous avons décidé d'analyser pourquoi et de tenter une démonstration expérimentale d'un Q aussi élevé. Nous avons observé un SLR à Q très élevé d'une valeur proche de 2400, c'est au moins 10 fois plus grand que les plus grands SLR Q signalés plus tôt."
Une découverte qui leur a fait réaliser qu'il y a encore beaucoup à apprendre sur les métaux.
« Nos recherches ont prouvé que nous sommes encore loin de connaître tous les mystères cachés des nanostructures métalliques (plasmoniques), " a conclu le Dr Orad Reshef, qui a fabriqué l'échantillon de métasurface. "Notre travail a démystifié un mythe vieux de dix ans selon lequel de telles structures ne conviennent pas aux applications optiques réelles en raison des pertes élevées. Nous avons démontré que, en concevant correctement la nanostructure et en menant soigneusement une expérience, on peut améliorer considérablement le résultat."
Le papier, "Résonances à ultra-haut Q dans les métasurfaces plasmoniques, " est publié dans Communication Nature .
