Le rendu de cet artiste montre comment les plasmons d'une paire de nanopointes d'or concentrent la lumière d'un laser, en l'amplifiant d'un facteur 1, 000. Crédit :Laboratoire Natelson/Université Rice
(PhysOrg.com) -- Tous ceux qui ont déjà utilisé un téléviseur, la radio ou le téléphone portable sait ce que fait une antenne :elle capte les signaux aériens qui rendent ces appareils pratiques. Un laboratoire de l'Université Rice a construit une antenne qui capte la lumière de la même manière, à petite échelle qui a un grand potentiel.
Le physicien de la matière condensée Doug Natelson et l'étudiant diplômé Dan Ward ont trouvé un moyen de fabriquer une antenne optique à partir de deux pointes en or séparées par un espace nanométrique qui recueille la lumière d'un laser. Les astuces "saisissent la lumière et la concentrent dans un espace minuscule, " Natelson a dit, conduisant à une augmentation de mille fois de l'intensité lumineuse dans l'espace.
Obtenir une mesure précise de l'effet est une première, dit Natelson, qui a rapporté les résultats dans l'édition en ligne d'aujourd'hui du journal Nature Nanotechnologie . Il espère que la découverte sera utile dans le développement d'outils pour l'optique et pour la détection chimique et biologique, même à l'échelle d'une seule molécule, avec des implications pour la sécurité industrielle, la défense et la sécurité intérieure.
L'article de Natelson, Ward et leurs collègues en Allemagne et en Espagne détaillent la technique de l'équipe, qui consiste à projeter une lumière laser dans l'espace entre une paire de pointes en or distantes de moins d'un nanomètre - environ un cent millième de la largeur d'un cheveu humain.
« Vous pouvez ignorer le fait que l'antenne de votre voiture est constituée d'atomes ; cela fonctionne simplement, " dit Natelson, un Rice professeur de physique et d'astronomie, ainsi que l'ingénierie électrique et informatique. "Mais quand vous avez de minuscules morceaux de métal très proches les uns des autres, vous devez vous soucier de tous les détails. Les champs vont être grands, la situation va être compliquée et vous êtes vraiment contraint. Nous avons pu utiliser une physique qui n'entre en jeu que lorsque les choses sont très proches les unes des autres pour aider à comprendre ce qui se passe."
La clé pour mesurer l'amplification de la lumière s'est avérée mesurer autre chose, spécifiquement le courant électrique circulant entre les pointes d'or.
Le fait de rapprocher les nanopointes permet à la charge de s'écouler via un effet tunnel quantique lorsque les électrons sont poussés d'un côté à l'autre. Les chercheurs pourraient faire bouger les électrons en les poussant à basse fréquence avec une tension, dans un très contrôlable, manière mesurable. Ils pourraient également les faire couler en faisant briller le laser, qui pousse la charge à la très haute fréquence de la lumière. Pouvoir comparer les deux processus a établi une norme par laquelle l'amplification de la lumière pourrait être déterminée, dit Natelson. Leurs coauteurs allemands et espagnols ont contribué à fournir la justification théorique nécessaire à l'analyse.
L'amplification est un effet plasmonique, dit Natelson. Plasmons, qui peut être excité par la lumière, sont des électrons oscillants dans des structures métalliques qui agissent comme des ondulations dans une piscine. "Vous avez une structure métallique, tu l'éclaires, la lumière fait ballotter les électrons de cette structure métallique, " dit-il. " Vous pouvez considérer les électrons dans le métal comme un fluide incompressible, comme de l'eau dans une baignoire. Et quand tu les fais ballotter d'avant en arrière, vous obtenez des champs électriques.
Il s'agit d'une image colorisée au microscope électronique à balayage de pointes en or dans un dispositif nanogap utilisé dans des expériences pour capturer et amplifier la lumière. Crédit :Laboratoire Natelson/Université Rice
"A la surface du métal, ces champs peuvent être très grands - beaucoup plus grands que ceux du rayonnement d'origine, " a-t-il dit. " Ce qui était difficile à mesurer, c'était la taille. Nous ne savions pas à quel point les deux parties montaient et descendaient - et c'est exactement ce qui nous tient à cœur."
En mesurant simultanément les courants basse fréquence commandés électriquement et les courants haute fréquence commandés optiquement entre les pointes, "nous pouvons comprendre la tension qui va et vient aux fréquences très élevées qui sont caractéristiques de la lumière, " il a dit.
Natelson a déclaré que l'appareil de fabrication artisanale de son laboratoire, qui combine l'électronique et l'optique à l'échelle nanométrique, est assez inhabituel. "Il y a beaucoup de gens qui font de l'optique. Il y en a beaucoup qui font des mesures électriques à l'échelle nanométrique, " at-il dit. " Il n'y a pas encore trop de gens qui combinent les deux. "
La plate-forme personnalisée a donné aux chercheurs de Rice une mesure de contrôle sur les propriétés thermiques et électriques qui ont bloqué d'autres chercheurs. Les pointes sont refroidies à 80 Kelvin, environ -315 degrés Fahrenheit, et sont isolés électriquement de leurs bases de silicium, tenir à distance les tensions parasites qui pourraient fausser les résultats.
"La raison pour laquelle nous étudions ces champs améliorés n'est pas seulement parce qu'ils sont là, " a déclaré Natelson. " Si vous pouvez améliorer le champ local par un facteur de 1, 000, il y a beaucoup de choses que vous pouvez faire en termes de capteurs et d'optique non linéaire. Tout ce qui vous donne une idée de ce qui se passe à ces échelles minuscules est très utile.
"C'est l'un de ces rares, des cas heureux où vous êtes en mesure d'obtenir des informations - des informations très locales - sur exactement quelque chose qui vous tient à cœur."
