Les secrets des mystérieux "points chauds" électromagnétiques nanométriques qui apparaissent sur des surfaces métalliques sous une lumière sont enfin révélés avec l'aide d'une BÊTE. Les chercheurs du laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE ont développé une technologie d'imagerie à molécule unique, surnommé la technique de super-résolution d'adsorption d'émetteur brownien (BEAST), qui a permis pour la première fois de mesurer directement le champ électromagnétique à l'intérieur d'un hotspot. Les résultats sont prometteurs pour un certain nombre de technologies, notamment l'énergie solaire et la détection chimique.

"Avec notre méthode BEAST, nous avons pu cartographier le profil du champ électromagnétique dans un seul hotspot comme
aussi petit que 15 nanomètres avec une précision jusqu'à 1,2 nanomètre, en quelques minutes, " dit Xiang Zhang,
chercheur principal à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur titulaire de la chaire Ernest S. Kuh à l'Université de Californie (UC), Berkeley. "Nous avons découvert que le champ est très localisé et, contrairement à un champ électromagnétique typique, ne se propage pas dans l'espace. Le champ a également une forme exponentielle qui monte en flèche jusqu'à un pic puis décroît très rapidement."

Zhang, qui dirige le Center for Scalable and Integrated NanoManufacturing (SINAM), un centre de science et d'ingénierie à l'échelle nanométrique de la National Science Foundation à l'UC Berkeley, est l'auteur correspondant d'un article sur cette recherche qui paraît dans la revue La nature sous le titre "Cartographie de la distribution du champ électromagnétique à l'intérieur d'un point chaud de 15 nm par imagerie à molécule unique". Les co-auteurs de l'article avec Zhang étaient Hu Cang, Anna Labno, Changgui Lu, Xiaobo Yin, Ming Liu et Christopher Gladden.

Sous éclairage optique, les surfaces métalliques rugueuses seront parsemées de points chauds microscopiques, où la lumière est fortement confinée dans des zones mesurant des dizaines de nanomètres de diamètre, et la diffusion Raman (inélastique) de la lumière est améliorée jusqu'à 14 ordres de grandeur. Observé pour la première fois il y a plus de 30 ans, de tels points chauds ont été liés à l'impact de la rugosité de surface sur les plasmons (ondes de surface électroniques) et d'autres modes électromagnétiques localisés.
Cependant, au cours des trois dernières décennies, on a peu appris sur les origines de ces hotspots.

"Étonnamment, malgré des milliers d'articles sur ce problème et diverses théories, nous sommes les premiers à déterminer expérimentalement la nature du champ électromagnétique à l'intérieur d'un tel hotspot nanométrique, " dit Hu Cang, auteur principal sur le La nature papier et membre du groupe de recherche de Zhang. "Le point chaud de 15 nanomètres que nous avons mesuré a à peu près la taille d'une molécule de protéine. Nous pensons qu'il existe des points chauds qui peuvent même être plus petits qu'une molécule."

Parce que la taille de ces points chauds métalliques est bien plus petite que la longueur d'onde de la lumière incidente, une nouvelle technique était nécessaire pour cartographier le champ électromagnétique dans un hotspot. Les chercheurs de Berkeley ont développé la méthode BEAST pour capitaliser sur le fait que les molécules individuelles de colorant fluorescent peuvent être localisées avec une précision d'un nanomètre. L'intensité de fluorescence des molécules individuelles adsorbées sur la surface fournit une mesure directe du champ électromagnétique à l'intérieur d'un seul point chaud. BEAST utilise le mouvement brownien de molécules de colorant uniques dans une solution pour que les colorants scannent l'intérieur d'un seul point chaud de manière stochastique, une molécule à la fois.

"La forme exponentielle que nous avons trouvée pour le champ électromagnétique dans un point chaud est une preuve directe de l'existence d'un champ électromagnétique localisé, par opposition à la forme plus courante de distribution gaussienne, " Cang dit. "Il existe plusieurs mécanismes concurrents proposés pour les points chauds et nous travaillons maintenant à examiner plus avant ces mécanismes fondamentaux."

BEAST commence par l'immersion d'un échantillon dans un
solution de colorant fluorescent à diffusion libre. La diffusion du colorant étant beaucoup plus rapide que le temps d'acquisition de l'image (0,1 milliseconde vs 50 à 100 millisecondes), la fluorescence produit un fond homogène. Lorsqu'une molécule de colorant est adsorbée sur la surface d'un point chaud, il apparaît comme un point lumineux dans les images, avec l'intensité de la tache indiquant l'intensité du champ local.

"En utilisant une méthode de localisation de molécule unique par maximum de vraisemblance, la molécule peut être localisée avec une précision nanométrique, " dit Zhang. " Une fois la molécule de colorant blanchie (généralement en quelques centaines de millisecondes), la fluorescence disparaît et le hotspot est prêt pour le prochain événement d'adsorption."

Le choix de la bonne concentration des molécules de colorant permet le taux d'adsorption à la surface d'un hotspot
à contrôler pour qu'une seule molécule adsorbée émette des photons à la fois. Étant donné que BEAST utilise une caméra pour enregistrer les événements d'adsorption d'une seule molécule, plusieurs points chauds dans un champ de vision allant jusqu'à un millimètre carré peuvent être imagés en parallèle.

Dans leur papier, Zhang et ses collègues voient les hotspots être utilisés dans un large éventail d'applications, à commencer par la fabrication de cellules solaires hautement efficaces et d'appareils capables de détecter des signaux chimiques faibles.

"Un hotspot est comme une lentille qui peut focaliser la lumière sur un petit point avec une puissance de focalisation bien au-delà de toute optique conventionnelle, " dit Cang. " Alors qu'une lentille conventionnelle ne peut focaliser la lumière que sur un point d'environ la moitié de la longueur d'onde de la lumière visible (environ 200-300 nanomètres), nous confirmons maintenant qu'un hotspot peut focaliser la lumière sur un spot de la taille d'un nanomètre."

Grâce à ce pouvoir de focalisation exceptionnel, les points chauds pourraient être utilisés pour concentrer la lumière du soleil sur les sites photocatalytiques des dispositifs solaires, aidant ainsi à maximiser l'efficacité de la collecte de la lumière et de la séparation de l'eau. Pour la détection de signaux chimiques faibles, par exemple., d'un seul
molécule, un hotspot pourrait être utilisé pour focaliser la lumière incidente afin qu'elle n'éclaire que la molécule d'intérêt, améliorant ainsi le signal et minimisant l'arrière-plan.

BEAST permet également d'étudier le comportement de la lumière lors de son passage à travers un nanomatériau, un facteur critique pour le développement futur des dispositifs nano-optiques et métamatériaux. Les techniques expérimentales actuelles souffrent d'une résolution limitée et sont difficiles à mettre en œuvre à l'échelle véritablement nanométrique.

« BEAST offre une opportunité sans précédent de mesurer comment un nanomatériau modifie la distribution de la lumière, qui guidera le développement de dispositifs nano-optiques avancés, " dit Cang. " Nous utiliserons également BEAST pour répondre à certains problèmes difficiles en science des surfaces, comme où et quels sont les sites actifs dans un catalyseur, comment l'énergie ou les charges se transfèrent entre les molécules et un nanomatériau, et ce qui détermine l'hydrophobie de la surface. Ces problèmes nécessitent une technique avec une résolution au niveau de la microscopie électronique et des informations de spectroscopie optique. BEAST est un outil parfait pour ces problèmes."