Instantané du nanofilm qui affiche le champ électrique de la lumière dans les nanovortex plasmoniques (skyrmions). La symétrie hexagonale (6 fois) dans le plan est facilement visible. Crédit :Université de Stuttgart
La force destructrice d'une tornade se produit en raison des vitesses de rotation extrêmement élevées en son centre, qui s'appelle un tourbillon. Étonnamment, des effets similaires sont prévus pour la lumière qui se déplace le long d'une surface d'or atomiquement lisse, qui peuvent présenter un moment angulaire et des tourbillons. Des chercheurs des universités de Stuttgart et de Duisburg-Essen et de l'université de Melbourne (Australie) ont réussi pour la première fois à filmer ces motifs de vortex, qu'on appelle skyrmions, à l'échelle nanométrique. Le journal Science rapporte ce travail de pionnier dans son numéro du 24 avril, 2020.
Lorsqu'une patineuse artistique commence à effectuer une pirouette et lève les bras, elle tourne autour de son propre axe de plus en plus vite en raison de la conservation du moment cinétique. Les chaudes journées d'été, le même effet de pirouette crée ce que l'on appelle des "diables de poussière, " c'est à dire., petits tourbillons d'air chaud, et cela donne également aux grandes tornades leur pouvoir destructeur. Le physicien Tony Skyrme a étudié de tels tourbillons en détail dans les années 1960 dans un domaine de recherche appelé topologie. Les motifs sont appelés skyrmions d'après leur découvreur.
La lumière qui se déplace de manière atomiquement lisse, les surfaces d'or nanostructurées peuvent également avoir une sorte de moment cinétique, et donc des tourbillons peuvent se former. Cependant, dans ce cas, les tourbillons ne mesurent que quelques centaines de nanomètres, et l'œil de ces nanotempêtes ne mesure que quelques nanomètres. Par conséquent, personne n'a encore pu mesurer l'orientation exacte de ces tourbillons. Il était également impossible de regarder la dynamique du vortex, car le temps que met la lumière pour faire le tour d'un tel vortex n'est que de quelques femtosecondes (des billions de millisecondes).
Dans une expérience révolutionnaire, une équipe de chercheurs de l'Université de Stuttgart, l'Université de Duisbourg-Essen, et l'Université de Melbourne en Australie a réussi pour la première fois à filmer de tels skyrmions plasmoniques faits de lumière à l'échelle nanométrique. Les chercheurs ont pu enregistrer la direction du champ électrique et magnétique de la lumière dans les trois dimensions, et même mesuré sa dynamique. Le théoricien Tim Davis de Melbourne, qui a visité Stuttgart et Duisbourg avec le soutien du centre quantique IQST, calculé les longueurs d'onde lumineuses requises, la forme optimale des nanostructures, ainsi que l'épaisseur exacte des plaquettes d'or. Il a prédit le comportement des réseaux réguliers (appelés réseaux skyrmions) de vortex légers.
Analogie aux nano tornades dans les vortex plasmoniques (skyrmions). L'écran présente la structure tridimensionnelle mesurée du champ magnétique de la lumière sur les nanoplaquettes d'or. Crédit :Université de Stuttgart
Bettina Frank du groupe de recherche de Harald Giessen au 4e Institut de physique de l'Université de Stuttgart a produit des plaquettes d'or atomiquement lisses avec une épaisseur réglable dans la plage du nanomètre en utilisant une méthode nouvellement développée. Des plaquettes de silicium extrêmement plates ont été utilisées comme substrat à cette fin. Les plaquettes d'or ont été nanostructurées avec un faisceau d'ions d'or de haute précision. Lorsqu'il est irradié avec des impulsions laser d'une longueur d'onde soigneusement calculée dans la gamme infrarouge, ensembles de lumière skyrmion entiers, ce qu'on appelle les skyrmions plasmoniques, pourrait être créé.
La mesure de la dynamique vectorielle, c'est à dire., l'alignement tridimensionnel des champs lumineux plasmoniques et leur comportement temporel, a été menée avec succès dans une nouvelle expérience spécialement conçue dans le groupe de Frank Meyer zu Heringdorf à l'Université de Duisburg-Essen. Les doctorants Pascal Dreher et David Janoschka ont envoyé des impulsions laser d'une durée de seulement 13 femtosecondes à une longueur d'onde de 800 nm sur les plaquettes d'or avec les nanostructures. L'effet photo, pour lequel Einstein a reçu son prix Nobel, provoque l'éjection d'électrons hors de l'échantillon d'or, qui sont ensuite mesurés au microscope électronique. En combinant intelligemment plusieurs impulsions laser avec différentes polarisations lumineuses et en répétant l'expérience plusieurs fois, les composantes vectorielles des champs lumineux pourraient être déterminées par projection.
En envoyant deux impulsions laser l'une après l'autre sur l'échantillon, les nano-tornades de lumière peuvent à la fois être excitées puis sondées par des impulsions laser ultracourtes, de sorte que dans la durée d'environ une nuit, un nanofilm entier de ces tourbillons lumineux peut être enregistré.
Harald Giessen de Stuttgart pense qu'il pourrait être possible à l'avenir, sur la base de cette recherche, de créer de nouveaux types de microscopes qui pourraient produire des structures beaucoup plus petites avec la lumière que cela n'a été le cas jusqu'à présent. "La combinaison du moment angulaire orbital et des propriétés vectorielles conduit à des structures de vortex plasmoniques de l'ordre du nanomètre même avec une optique linéaire, " Il rapporte. " Il sera également possible d'observer expérimentalement la physique des skyrmions résolue en temps dans une variété de conditions aux limites. "
L'interaction de ces champs de skyrmions et de leur moment angulaire orbital avec les particules voisines dans les semi-conducteurs, par exemple dans atomiquement mince, matériaux bidimensionnels, sera particulièrement excitant. "Grâce à notre nouvelle machine de lithographie par faisceau d'ions Raith, nous avons des possibilités presque infinies pour générer différentes nanostructures topologiques et étudier leur dynamique skyrmion avec la nanocaméra de Duisburg."
