Les nanostructures sont le Saint Graal des nouveaux matériaux. Le graphène, un matériau merveilleux, par exemple, est une couche unique d'atomes de carbone disposés selon un motif hexagonal qui, en raison de sa conductivité, la flexibilité, transparence et force, a le potentiel de créer des cellules solaires plus efficaces, circuits électriques et puces électroniques plus petits et plus rapides, écrans transparents, et des condensateurs et des batteries à haute densité.

Selon Xiaoji Xu, professeur assistant au Département de chimie de l'Université Lehigh, une autre qualité qui rend les nanomatériaux comme le graphène si spéciaux est leur capacité à générer un phénomène physique appelé polariton.

Les polaritons sont des quasi-particules résultant d'un fort couplage d'ondes électromagnétiques avec une excitation électrique ou magnétique porteuse de dipôles, appelée par certains couplage lumière-matière. Les polaritons permettent aux nanostructures de confiner et de comprimer la lumière autour du matériau.

La capacité de compresser la lumière est essentielle pour réduire la taille des appareils pour les futures communications optiques et informatiques. Cela pourrait également conduire à une détection à une échelle inférieure au nanomètre, important pour réaliser des progrès biomédicaux dans la détection des maladies, prévention et traitement.

Le défi pour les personnes qui étudient ces matériaux, dit Xu, est de savoir comment révéler et caractériser les polaritons à l'échelle nanométrique, car aucun microscope conventionnel ne peut le faire.

Maintenant, Xu et son équipe ont trouvé un moyen de révéler la forme 3-D de l'interaction du polariton autour d'une nanostructure. Leur technique améliore la technique d'imagerie spectroscopique courante connue sous le nom de microscopie optique à champ proche à balayage de type diffusion (s-SNOM). La méthode de l'équipe, appelé microscopie optique à champ proche à balayage de type diffusion de force de crête (PF-SNOM), fonctionne grâce à une combinaison de mode de taraudage de force maximale et de détection de lumière temporisée. Les chercheurs ont détaillé leurs travaux dans un article intitulé :"Tomographic and multimodal scattering-type scanning near-fieldoptic microscopy with peak force tapping mode" publié en ligne le 21 mai 2018 dans Communication Nature . En plus de Xu, les co-auteurs de l'article incluent Haomin Wang, Le Wang et Devon S. Jakob, doctorat étudiants dans le laboratoire de Xu.

Dans le journal, les auteurs déclarent :« PF-SNOM permet la section directe des signaux de champ proche verticaux à partir d'une surface d'échantillon pour l'imagerie en champ proche tridimensionnelle et l'analyse spectroscopique. La relaxation induite par la pointe des polaritons de phonons de surface est révélée et modélisée en tenant compte de l'amortissement de la pointe ."

Selon les chercheurs, PF-SNOM offre également une résolution spatiale améliorée de cinq nanomètres, plutôt que les dix nanomètres typiques offerts par le s-SNOM traditionnel.

"Notre technique pourrait être bénéfique aux scientifiques étudiant les nanostructures leur permettant de mieux comprendre comment le champ électrique se répartit autour d'une nanostructure donnée, " dit Xu.

Leur méthode de caractérisation PF-SNOM est non seulement plus directe que les techniques existantes, il peut aussi obtenir simultanément la polaritonique, informations mécaniques et électriques.

Avec une mesure, explique Xu, plusieurs modes d'information peuvent être obtenus, un avantage unique.

Le développement de PF-SNOM est né de l'étude par l'équipe du mode gap, lorsque deux structures plasmoniques s'approchent à quelques nanomètres, il y a une énorme augmentation de l'intensité du plasmon dans l'espace entre les deux structures à mesure que l'énergie est transférée d'une structure à l'autre. Grâce à leur capacité à réduire cette réponse de mode d'écart dans les simulations, les chercheurs ont décidé d'essayer de l'étendre au mode sans espace, en augmentant la distance entre la pointe de la sonde de microscopie à force atomique (AFM) et l'échantillon.

"À l'aide d'une pointe AFM, nous avons mesuré la lumière diffusée en fonction de la distance pointe-échantillon, " explique Wang, un doctorat étudiant dans le laboratoire de Xu et co-auteur de l'article. "Nous avons ensuite rassemblé des informations à différentes distances d'échantillon de pointe et combiné toutes ces informations en couches pour obtenir l'image tomographique et révéler la structure de polariton 3-D."

De façon intéressante, lorsque l'équipe a commencé ses expériences, elle s'attendait à un résultat différent. Cependant, lors des simulations, ils ont observé une forme spéciale de diffusion de la lumière et ont vu qu'il y avait une amélioration évidente du mode gap.

"Il s'est avéré que nous pouvions sectionner la lumière à différentes distances d'échantillons de pointe et utiliser ces signaux pour visualiser la réponse en champ proche à différentes couches et dans des directions verticales, " dit Wang.

Il ajoute :« Bien que ce travail ait été fait avec l'infrarouge, en principe, il pourrait également être étendu à d'autres fréquences, tels que visible et térahertz."