Les physiciens ont développé un moyen de déterminer les propriétés électroniques des films d'or minces après leur interaction avec la lumière. Communication Nature publié la nouvelle méthode, ce qui ajoute à la compréhension des lois fondamentales qui régissent l'interaction des électrons et de la lumière.

"Étonnamment, jusqu'à présent, il n'y a eu que des moyens très limités de déterminer ce qui se passe exactement avec les matériaux après que nous les avons éclairés, " dit Hayk Harutyunyan, professeur adjoint de physique à l'Université Emory et auteur principal de la recherche. "Notre découverte pourrait ouvrir la voie à des améliorations dans des dispositifs tels que les capteurs optiques et les cellules photovoltaïques."

Des panneaux solaires aux appareils photo et aux téléphones portables, en passant par la vision de nos yeux, l'interaction des photons de lumière avec les atomes et les électrons est omniprésente. "Le phénomène optique est un processus tellement fondamental que nous le tenons pour acquis, et pourtant on ne comprend pas complètement comment la lumière interagit avec les matériaux, " dit Harutyunyan.

Un obstacle à la compréhension des détails de ces interactions est leur complexité. Lorsque l'énergie d'un photon lumineux est transférée à un électron dans un matériau absorbant la lumière, le photon est détruit et l'électron est excité d'un niveau à l'autre. Mais tant de photons, des atomes et des électrons sont impliqués - et le processus se déroule si rapidement - que la modélisation en laboratoire du processus est un défi informatique.

Pour l'article de Nature Communications, les physiciens ont commencé avec un système de matériaux relativement simple - des couches d'or ultra-minces - et ont mené des expériences dessus.

"Nous n'avons pas utilisé de puissance de calcul brute, ", dit Harutyunyan. "Nous avons commencé avec des données expérimentales et avons développé un modèle analytique et théorique qui nous a permis d'utiliser un stylo et du papier pour décoder les données."

Harutyunyan et Manoj Manjare, un post-doctorant dans son laboratoire, conçu et réalisé les expériences. Stephen Gray, Gary Wiederrecht et Tal Heilpern, du Laboratoire national d'Argonne, ont mis au point les outils mathématiques nécessaires. Les physiciens d'Argonne ont également travaillé sur le modèle théorique, avec Alexander Govorov de l'Université de l'Ohio.

Pour les expériences, les nanocouches d'or ont été positionnées à des angles particuliers. La lumière brillait alors sur l'or en deux, impulsions séquentielles. "Ces impulsions de lumière laser étaient très courtes dans le temps, des milliers de milliards de fois plus courtes qu'une seconde, " Harutyunyan dit. "La première impulsion a été absorbée par l'or. La deuxième impulsion de lumière mesurait les résultats de cette absorption, montrant comment les électrons sont passés d'un état fondamental à un état excité."

Typiquement, l'or absorbe la lumière aux fréquences vertes, reflétant toutes les autres couleurs du spectre, ce qui fait apparaître le métal jaune. Sous forme de nanocouches, cependant, l'or peut absorber la lumière à des longueurs d'onde plus longues, dans la partie infrarouge du spectre.

"A un certain angle d'excitation, nous avons pu induire des transitions électroniques qui n'étaient pas seulement une fréquence différente mais un processus physique différent, ", dit Harutyunyan. "Nous avons pu suivre l'évolution de ce processus au fil du temps et démontrer pourquoi et comment ces transitions se produisent."

L'utilisation de la méthode pour mieux comprendre les interactions sous-jacentes à l'absorption de la lumière par un matériau peut conduire à des moyens de régler et de gérer ces interactions.

Cellules solaires photovoltaïques, par exemple, ne sont actuellement capables d'absorber qu'un faible pourcentage de la lumière qui les frappe. Les capteurs optiques utilisés en biomédecine et les photocatalyseurs utilisés en chimie sont d'autres exemples de dispositifs qui pourraient potentiellement être améliorés par la nouvelle méthode.

Tandis que le Communication Nature le papier offre une preuve de concept, les chercheurs prévoient de continuer à affiner l'utilisation de la méthode avec de l'or tout en expérimentant avec une gamme d'autres matériaux.

"Finalement, nous voulons démontrer qu'il s'agit d'une méthode large qui pourrait être appliquée à de nombreux matériaux utiles, " dit Harutyunyan.