Les cavités photoniques sont une partie essentielle de nombreux dispositifs optiques modernes, des pointeurs laser aux fours à micro-ondes. Tout comme nous pouvons stocker de l'eau dans un réservoir et créer des ondes stationnaires à la surface de l'eau, on peut confiner la lumière dans un résonateur photonique dont les parois sont fortement réfléchissantes. De même que les vagues de surface de l'eau dépendent de la géométrie du réservoir (forme, profondeur), des modes optiques spécifiques peuvent être créés dans une cavité photonique dont les propriétés (couleur et répartition spatiale de l'intensité) peuvent être ajustées en changeant les dimensions de la cavité. Lorsque la taille de la cavité est très petite - beaucoup plus petite que la longueur d'onde de la lumière qui la confine (nano-cavité dans le cas de la lumière visible) - il se produit un effet d'intensification de la lumière si fort qu'il influence les électrons sur les parois de la cavité. Un mélange entre photons et électrons est alors produit, donnant lieu à des modes hybrides entre la lumière et la matière appelés plasmons.

Les plasmons dans les nano-cavités optiques sont extrêmement importants pour de nombreuses applications telles que les capteurs chimiques qui permettent la détection de molécules individuelles, ou la fabrication de nanolasers qui pourraient fonctionner avec une consommation électrique quasi nulle. Cependant, la caractérisation de ces modes plasmoniques est généralement très complexe, en raison de la petite taille des cavités qui rend extrêmement difficile leur accès par des signaux externes.

D'autre part, l'effet tunnel est l'un des plus caractéristiques, effets mystérieux et les mieux documentés de la mécanique quantique. Dans un processus tunnel, une particule (par exemple un électron) peut traverser une barrière étroite (l'espace qui sépare deux métaux à des distances nanométriques) bien qu'elle n'ait pas assez d'énergie pour la surmonter. C'est comme si on pouvait passer d'un côté à l'autre de la Grande Muraille de Chine sans avoir à la franchir.

Aussi incroyable que cela puisse paraître, les particules du monde quantique peuvent le faire sous certaines conditions. Dans la plupart de ces processus, l'énergie de la particule avant et après le processus est la même. Cependant, dans une petite fraction de ces événements, la particule peut céder une partie de son énergie, par exemple, en générant de la lumière, qui est connu comme le processus de tunnel inélastique. Bien qu'il soit bien connu que les propriétés de la lumière émise dans le processus tunnel inélastique entre deux métaux dépendent des modes plasmoniques qui existent dans la cavité, elle dépend aussi fortement de la distribution d'énergie des particules réalisant le processus tunnel.

Jusqu'à maintenant, il avait été impossible de distinguer sans équivoque entre ces deux effets et donc d'extraire l'information sur les modes plasmoniques de l'analyse de la lumière émise par l'effet tunnel.

Des chercheurs de l'Universidad Autónoma de Madrid, IMDEA Nanociencia et IFIMAC ont développé une méthode pour surmonter ce problème en déterminant simultanément la distribution d'énergie des électrons à effet tunnel et de la lumière émise dans un microscope à effet tunnel. Ils ont exploité l'effet tunnel pour créer des résonateurs optiques de dimensions atomiques et étudier leurs propriétés optiques, démêler pour la première fois les contributions dues à l'énergie des particules tunnel des effets provoqués par les modes plasmoniques dans la cavité.

Ce travail propose une nouvelle méthodologie pour la caractérisation de l'interaction lumière-matière à la taille atomique, et peut avoir des implications technologiques importantes pour le développement de capteurs chimiques de molécules uniques, de nouvelles sources de photons simples ou entrelacés ou de nanolasers actifs à des puissances de pompage extrêmement faibles.

La recherche a été publiée dans la prestigieuse revue Communication Nature .