Des chercheurs de l'ETH Zurich ont mis au point un appareil miniature capable de produire des faisceaux de type laser d'un type particulier d'onde électromagnétique appelé plasmon de surface. Les plasmons de surface peuvent être focalisés beaucoup plus étroitement que les ondes lumineuses, ce qui les rend utiles pour des applications telles que la détection.

Lorsque la lumière est confinée entre deux miroirs partiellement réfléchissants et amplifiée par un matériau entre eux, le faisceau résultant peut être extrêmement brillant et d'une seule couleur. C'est le principe de fonctionnement du laser, un outil utilisé dans tous les domaines de la vie moderne, du lecteur DVD au bloc opératoire.

Les chercheurs de l'ETH Zurich dirigés par David Norris, professeur au Laboratoire de Génie des Matériaux Optiques, et Pr Dimos Poulikakos, professeur au Laboratoire de thermodynamique des technologies émergentes, ont développé un dispositif miniature qui applique le même principe aux plasmons dits de surface. Les ondes électromagnétiques créées par un tel laser plasmon de surface, ou "spaser", peut être focalisé beaucoup plus étroitement que la lumière, ce qui les rend intéressants à la fois pour la recherche fondamentale et pour des applications techniques telles que la détection.

Une minuscule cavité pour les plasmons de surface

Contrairement aux ondes lumineuses ordinaires, qui se propagent librement à l'intérieur d'un matériau transparent, Les plasmons de surface sont constitués d'ondes électromagnétiques étroitement liées à des ondulations dans la distribution des électrons à la surface d'un métal. On peut admirer les effets optiques des plasmons de surface, par exemple, dans les vitraux des cathédrales médiévales. Là, les plasmons générés sur les nanoparticules métalliques à l'intérieur du verre par la lumière entrante donnent aux fenêtres leurs couleurs particulières et vibrantes.

L'équipe de l'ETH a maintenant créé l'équivalent d'une cavité laser pour les plasmons de surface en concevant des surfaces d'argent extrêmement lisses, au dessus desquels deux blocs d'argent légèrement galbés, quelques micromètres de longueur et à peine un demi-micromètre de hauteur, sont placés. Ces microblocs agissent comme l'équivalent des miroirs d'un laser. Entre les blocs, les plasmons de surface peuvent rebondir plusieurs fois. Finalement, l'amplification nécessaire pour obtenir un faisceau spaser est fournie par des boîtes quantiques qui sont placées à l'intérieur de la cavité. Les points quantiques sont de minuscules particules semi-conductrices qui se comportent de la même manière que des atomes simples (ils sont parfois appelés « atomes artificiels ») et peuvent être produites pour amplifier les ondes électromagnétiques à une fréquence souhaitée.

Les chercheurs ont injecté les points quantiques dans la cavité du spaser en les dissolvant dans un liquide qui a ensuite été imprimé avec une précision nanométrique sur la surface argentée à travers une minuscule buse, en utilisant une technique développée dans le laboratoire de Poulikakos. Une fois la cavité et les points quantiques en place, des plasmons de surface pourraient être injectés dans le spaser en projetant une lumière laser sur les points quantiques.

Possibilité d'amplification supplémentaire

"Dans notre travail, nous avons essayé d'intégrer les éléments de base d'un spaser dans un seul petit appareil", explique Jian Cui, chercheur postdoctoral senior dans le groupe de Norris et auteur de l'étude récemment publiée dans la revue scientifique Avancées scientifiques . En plus de la cavité spaser et du matériau de gain, les chercheurs ont également inclus un amplificateur qui utilise des points quantiques pour augmenter encore la luminosité du faisceau de plasmons de surface une fois qu'il quitte la cavité.

L'amplificateur a une forme triangulaire, de telle sorte que les plasmons ne soient pas simplement amplifiés, mais aussi focalisé sur une pointe de taille nanométrique. Là, les ondes électromagnétiques sont concentrées dans un volume beaucoup plus petit que la plus petite taille sur laquelle la lumière ordinaire pourrait être focalisée. Cette fonctionnalité pourrait être utilisée à l'avenir, par exemple, pour la détection très sensible de molécules biologiques.

Vers des circuits intégrés avec spasers

Maintenant qu'ils ont démontré que leur spaser miniature fonctionne, les chercheurs de l'ETH travaillent déjà sur la prochaine étape logique. « Nos méthodes de fabrication sont très reproductibles et polyvalentes, on peut donc maintenant penser à créer des circuits intégrés à éléments multiples :spasers, amplificateurs, régions de détection, et ainsi de suite", dit le professeur Norris.

La nouvelle approche présente plusieurs avantages par rapport aux tentatives précédentes de réalisation de spasers. Les techniques antérieures utilisaient une particule métallique comme cavité, qui ne permettait pas l'extraction du faisceau spaser. Le procédé développé à l'ETH utilise un film plan avec miroirs intégrés, ce qui donne aux chercheurs une plus grande liberté de choix concernant la taille et la géométrie de la cavité, tout en leur permettant d'étudier directement les plasmons de surface.