Des chercheurs du CIC nanoGUNE BRTA (Saint-Sébastien, Espagne), en collaboration avec le Centre international de physique de Donostia (San Sebastián, Espagne) et l'Université d'Oviedo (Espagne) ont utilisé une technique de nano-imagerie spectroscopique pour étudier comment la nanolumière infrarouge - sous forme de polaritons de phonons - et les vibrations moléculaires interagissent les unes avec les autres.

Les images révèlent qu'un fort couplage vibrationnel peut être obtenu, qui est un phénomène qui a récemment attiré une large attention pour son utilisation potentielle pour contrôler les propriétés physiques et chimiques fondamentales des matériaux. Le résultat pourrait conduire au développement d'une nouvelle plate-forme pour l'identification chimique sur puce d'infimes quantités de molécules et pour l'étude des aspects fondamentaux des phénomènes de couplage fort à l'échelle nanométrique. L'ouvrage a été publié dans Photonique de la nature .

La lumière joue un rôle essentiel dans la science et la technologie modernes, avec des applications allant de la communication optique rapide au diagnostic médical et à la chirurgie au laser. Dans nombre de ces applications, l'interaction de la lumière avec la matière est d'une importance fondamentale.

Aux fréquences infrarouges, la lumière peut interagir avec les molécules via leurs vibrations qui se produisent à des fréquences spécifiques aux molécules. Pour cette raison, les matériaux moléculaires peuvent être identifiés en mesurant leur spectre de réflexion ou de transmission infrarouge. Cette technique, souvent appelée spectroscopie infrarouge d'empreintes digitales, est largement utilisé pour l'analyse des produits chimiques, substances biologiques et médicales.

Récemment, il a été constaté que l'interaction entre la lumière infrarouge et les vibrations moléculaires peut être si forte que finalement les propriétés du matériau sont modifiées, comme la conductivité et la réactivité chimique. Cet effet, appelé couplage fort vibratoire, peut se produire lorsqu'un matériau est placé dans une microcavité (généralement formée par des miroirs séparés par des distances micrométriques) dans laquelle la lumière est concentrée.

La force de l'interaction entre la lumière et la matière dépend fortement de la quantité de matière. Par conséquent, l'interaction s'affaiblit lorsque le nombre de molécules est réduit, des applications difficiles de spectroscopie infrarouge et empêchant finalement l'obtention d'un fort couplage vibrationnel. Ce problème peut être surmonté en concentrant la lumière dans des nanocavités ou en comprimant sa longueur d'onde, ce qui conduit à un confinement de la lumière.

« Une compression particulièrement forte de la lumière infrarouge peut être obtenue en la couplant aux vibrations du réseau (phonons) de couches minces de cristaux polaires de haute qualité. Ce couplage conduit à la formation d'ondes infrarouges, appelées polaritons de phonons, qui se propagent le long de la couche cristalline dont la longueur d'onde peut être plus de dix fois inférieure à celle de l'onde lumineuse correspondante en espace libre, " dit Andrei Bylinkin, premier auteur de l'ouvrage.

Maintenant, les chercheurs ont étudié le couplage entre les vibrations des molécules et la propagation des polaritons de phonons. D'abord, ils ont placé une fine couche de nitrure de bore hexagonal (moins de 100 nm d'épaisseur) sur des molécules organiques. Le nitrure de bore hexagonal est un cristal de van der Waals à partir duquel de fines couches de haute qualité peuvent être facilement obtenues par exfoliation. Prochain, il était nécessaire de générer des polaritons de phonons dans la couche mince de nitrure de bore. "Cela ne peut pas être réalisé en projetant simplement de la lumière infrarouge sur la couche de nitrure de bore, parce que la quantité de mouvement de la lumière est beaucoup plus petite que la quantité de mouvement des polaritons de phonons, " dit Andrei Bylinkin.

Le problème du décalage de quantité de mouvement a été résolu à l'aide de la pointe métallique pointue d'un microscope à balayage en champ proche, qui agit comme une antenne pour la lumière infrarouge et la concentre en un spot infrarouge à l'échelle nanométrique au sommet de la pointe qui fournit l'élan nécessaire pour générer des polaritons de phonons. Le microscope joue également un deuxième rôle important. "Cela nous a permis d'imager les polaritons de phonons qui se propagent le long du nitrure de bore en interagissant avec les molécules organiques voisines, " dit Rainer Hillenbrand qui a dirigé l'étude. " De cette façon, nous pourrions observer dans l'espace réel comment les polaritons de phonons se couplent avec les vibrations moléculaires, formant ainsi des polaritons hybrides, " il ajouta.

L'ensemble d'images qui ont été enregistrées à différentes fréquences infrarouges autour de la résonance des vibrations moléculaires a révélé divers aspects fondamentaux. Les polaritons hybrides sont fortement atténués à la fréquence de la vibration moléculaire, ce qui pourrait être intéressant pour les futures applications de détection sur puce. Les images résolues spectralement ont également montré que les ondes se propagent avec une vitesse de groupe négative, et le plus important, que le couplage entre les polaritons de phonons et les vibrations moléculaires est si fort qu'il tombe dans le régime de couplage vibrationnel fort.

"A l'aide de calculs électromagnétiques, nous avons pu confirmer nos résultats expérimentaux, et prédire en outre qu'un couplage fort devrait être possible même entre des couches de nitrure de bore et de molécules d'une épaisseur de quelques atomes, " dit Alexeï Nikitine.

La possibilité d'un couplage vibrationnel fort à l'échelle nanométrique extrême pourrait être utilisée à l'avenir pour le développement de dispositifs de spectroscopie ultrasensible ou pour étudier les aspects quantiques du couplage vibrationnel fort qui n'étaient pas accessibles jusqu'à présent.