Des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé le premier laser miniature dans lequel la lumière est guidée le long du sol d'une tranchée métallique ouverte. Le laser pourrait agir comme un dispositif à l'échelle nanométrique pour détecter des quantités infimes de polluants et d'autres produits chimiques dans l'environnement, ou détecter la liaison superficielle de biomolécules pour le diagnostic médical.

Wenqi Zhu du NIST et de l'Université du Maryland, avec les physiciens du NIST Henri Lezec et Amit Agrawal, ont décrit leur travail dans une édition récente de Science Advances. Le travail a été réalisé en collaboration avec l'Université de Nanjing en Chine et l'Université du Michigan.

Le développement du nouveau laser repose sur l'interaction entre les photons - des particules de lumière - et la mer d'électrons qui flotte à la surface d'un métal. Les interactions entre les photons et les ondulations dans la mer d'électrons produisent un type spécial d'onde lumineuse, surnommé un polariton de plasmon de surface (SPP), qui est étroitement confiné pour se déplacer uniquement le long de la surface du métal. Ce confinement rend les SPP très sensibles à tout ce qui se trouve sur la surface métallique.

Comme première étape vers la construction du laser miniature, l'équipe a façonné en argent une petite cavité ouverte en forme de tranchée dans laquelle les SPP peuvent résonner. La cavité est une surface plane flanquée de minuscules, parois latérales en forme de miroir qui reflètent les ondes de surface dans les deux sens.

Grâce à une fabrication soignée, la cavité résonante possédait deux propriétés clés :toutes ses surfaces intérieures étaient lisses à l'échelle atomique, dont l'épaisseur n'est pas supérieure à quelques nanomètres, et ses parois latérales étaient perpendiculaires par rapport au plancher plat de la cavité. La conception, rendu possible par le moulage de l'argent à l'aide d'un gabarit en silicone à motifs précis, a permis aux SPP de rebondir des centaines de fois à travers la cavité sans perdre d'énergie significative, comme une corde de guitare qui maintient longtemps une note pure. Cette propriété, connu comme facteur de haute qualité, ou Q élevé, est essentiel pour la construction d'un laser. Le Q mesuré par l'équipe est le plus élevé à ce jour pour tout résonateur à lumière visible utilisant uniquement des SPP.

Le Q élevé a également permis à la cavité d'agir comme un filtre extrêmement sélectif pour les SPP - seuls ceux dont les longueurs d'onde se situaient dans une bande étroite pouvaient résonner dans la cavité. La plage étroite est importante car elle permet à la cavité résonante (même avant qu'elle ne fasse partie d'un laser) de devenir un détecteur très sensible de minuscules changements dans son environnement - la présence de particules ou l'ajout d'un film mince au fond de la cavité . De tels changements déplacent le centre de la bande de longueurs d'onde qui résonnera dans la cavité.

"En obtenant une résonance étroite, le décalage de longueur d'onde est net, et la cavité ouverte peut agir comme un détecteur extrêmement sensible, " dit Lezec.

Après avoir démontré que la cavité pouvait être utilisée comme capteur, l'équipe a ensuite travaillé pour transformer leur conception en un laser. Ils l'ont fait en ajoutant un revêtement ultrafin à la cavité qui a amplifié l'intensité du SPP traversant la structure. Il s'agit du premier laser nanométrique jamais construit en manipulant un SPP se déplaçant sur une seule surface métallique plane, Lezec nota.

Les simulations suggèrent que le laser SPP pourrait devenir un détecteur encore plus sensible pour la biologie, matériaux chimiques et environnementaux que d'utiliser uniquement la cavité résonante. La conception du laser permet également de l'intégrer facilement dans un circuit photonique et peut également permettre de nouvelles études de la plasmonique quantique, l'interaction nanométrique de la matière avec les propriétés quantiques de la lumière.