Une étude publiée dans Lumière :science et applications ouvre de nouvelles voies pour les études fondamentales du couplage vibrationnel fort, ainsi que pour le développement de nouveaux capteurs infrarouges pour la reconnaissance chimique de très petites quantités de molécules. L'interaction de la lumière et de la matière à l'échelle nanométrique est un élément clé pour de nombreuses études fondamentales et applications technologiques, allant de la récolte de lumière à la détection de petites quantités de molécules.

Au cours des dernières décennies, de nombreuses stratégies ont été mises en œuvre pour améliorer les interactions lumière-matière à l'échelle nanométrique. Une approche est basée sur la concentration de la lumière à l'aide de polaritons de plasmons de surface propagés et localisés, qui sont des oscillations électroniques collectives dans des métaux ou des semi-conducteurs couplés à la lumière. Ces excitations électromagnétiques peuvent concentrer la lumière dans des taches nanométriques, ce qu'on appelle des points chauds. Aux fréquences infrarouges moyennes, ils permettent la détection d'infimes quantités de molécules. Cette méthode est appelée spectroscopie d'absorption infrarouge à surface améliorée (SEIRA). Cependant, les structures plasmoniques typiques de l'infrarouge moyen souffrent de pertes importantes et n'atteignent pas la concentration lumineuse ultime.

Une approche intéressante mais beaucoup moins explorée pour améliorer l'interaction lumière-matière à l'échelle nanométrique est basée sur des matériaux infrarouges-phononiques, dans lequel la lumière se couple aux vibrations du réseau cristallin pour former ce que l'on appelle des polaritons de phonons. "Les résonateurs phonon-polaritons offrent des pertes et un confinement de champ beaucoup plus faibles que leurs homologues plasmoniques dans l'infrarouge moyen. Pour cette raison, nous avons décidé de développer et d'appliquer des résonateurs infrarouges-phononiques pour améliorer le couplage de la lumière infrarouge aux vibrations moléculaires, " dit la postdoctorante Marta Autore, premier auteur de l'article.

Afin de développer une méthode de SEIRA phononique, les chercheurs ont fabriqué un ensemble de rubans en flocons de nitrure de bore hexagonal (h-BN). Par spectroscopie de transmission infrarouge, ils ont observé des résonances étroites de polaritons de phonons. Puis, ils ont déposé de fines couches d'une molécule organique sur les rubans. Cela a conduit à une forte modification de la résonance du phonon polariton, qui pourrait être utilisé pour détecter de très petites quantités de molécules (N <10 ^-15 mol) qui n'étaient pas détectables lorsqu'ils étaient déposés sur des substrats conventionnels.

"De façon intéressante, lorsque nous avons déposé des couches plus épaisses de molécules sur les rubans, nous avons observé un dédoublement de la résonance du polariton du phonon. Il s'agit d'une signature typique d'un phénomène connu sous le nom de couplage fort. Dans ce régime, l'interaction de la lumière et de la matière est si forte que des phénomènes excitants tels que la modification des réactions chimiques, une condensation de polaritons ou un transfert d'énergie à longue distance et ultrarapide peuvent se produire, " dit Rainer Hillenbrand, chef de groupe chez nanoGUNE qui a dirigé les travaux. "À l'avenir, nous voulons examiner de plus près le couplage fort amélioré par les phonons et ce que nous pourrions en faire. »

Les résultats montrent le potentiel des résonateurs à phonons polaritons pour devenir une nouvelle plate-forme pour la détection dans l'infrarouge moyen de très petites quantités de matériaux et pour explorer un couplage fort à l'échelle nanométrique, ouvrant la voie à de futures études fondamentales de phénomènes quantiques ou d'applications telles que la modification locale de la force de liaison chimique et la catalyse sélective à l'échelle nanométrique.