Dans les dispositifs plasmoniques typiques, les ondes électromagnétiques s'entassent dans de minuscules structures métalliques, concentrer l'énergie dans des dimensions nanométriques. En raison du couplage de l'électronique et de la photonique dans ces nanostructures métalliques, des dispositifs plasmoniques pourraient être exploités pour la transmission de données à grande vitesse ou des réseaux de détecteurs ultrarapides. Cependant, étudier les champs plasmoniques dans des dispositifs nanométriques représente un véritable obstacle pour les scientifiques, car l'examen de ces structures modifie intrinsèquement leur comportement.

« Que vous utilisiez un laser ou une ampoule, la longueur d'onde de la lumière est encore trop grande pour étudier les champs plasmoniques dans les nanostructures. De plus, la plupart des outils utilisés pour étudier les champs plasmoniques modifieront la distribution du champ - le comportement même que nous espérons comprendre, " dit Jim Schuck, un scientifique du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) qui travaille dans l'installation d'imagerie et de manipulation de nanostructures de la fonderie moléculaire.

La microscopie optique joue un rôle fondamental dans le répertoire d'un scientifique :la technique est facile à utiliser et n'endommage pas un circuit électronique soigneusement conçu ou un échantillon biologique délicat. Cependant, un objet d'intérêt à l'échelle nanométrique typique, tel qu'un brin d'ADN ou un point quantique, a une taille bien inférieure à la longueur d'onde de la lumière visible, ce qui signifie que la capacité de distinguer un tel objet d'un autre lorsqu'ils sont rapprochés est perdue. Les scientifiques remettent maintenant en cause cette limite en utilisant des techniques de « localisation », qui comptent le nombre de photons émanant d'un objet pour aider à déterminer sa position.

Dans des travaux antérieurs, Schuck et ses collègues de la Molecular Foundry, a Centres de recherche scientifique à l'échelle nanométrique du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), dispositifs plasmoniques en forme de nœud papillon conçus pour capturer, filtrer et diriger la lumière à l'échelle nanométrique. Ces dispositifs de triage de nano-couleurs ont servi d'antennes pour focaliser et trier la lumière dans de minuscules espaces en un ensemble de couleurs ou d'énergies souhaité, essentiel pour les filtres et autres détecteurs.

Dans cette dernière avancée, Schuck et son équipe du Berkeley Lab ont utilisé leur concept d'imagerie innovant pour visualiser les champs plasmoniques de ces dispositifs avec une résolution à l'échelle nanométrique. En imageant la fluorescence de l'or dans le nœud papillon et en maximisant le nombre de photons collectés à partir de leurs dispositifs de nœud papillon, l'équipe a pu glaner la position des modes plasmoniques - des oscillations de charge qui entraînent une résonance optique - à quelques nanomètres les uns des autres.

« Nous nous sommes demandé s'il existait un moyen d'utiliser la lumière déjà présente dans nos nœuds papillons - des photons localisés - pour sonder ces champs et servir de reporter, " dit Schuck. « Notre technique est également sensible aux imperfections du système, tels que de minuscules défauts structurels ou des effets de taille, suggérant que nous pourrions utiliser cette technique pour mesurer les performances des dispositifs plasmoniques dans des contextes de recherche et de développement. »

Parallèlement aux découvertes expérimentales de Schuck, Jeff Neaton, Directeur de l'installation de théorie des matériaux nanostructurés de la Molecular Foundry et Alex McLeod, un étudiant de premier cycle travaillant à la Fonderie, développé une boîte à outils en ligne, conçu pour calculer des images de dispositifs plasmoniques avec un logiciel open source développé au Massachusetts Institute of Technology. Pour cette étude, les chercheurs ont simulé l'ajustement de la structure d'une antenne à double nœud papillon de quelques nanomètres pour étudier comment le changement de la taille et de la symétrie d'une antenne plasmonique affecte ses propriétés optiques.

« En déplaçant leur structure de quelques nanomètres seulement, nous pouvons concentrer la lumière à différentes positions à l'intérieur du nœud papillon avec une certitude et une prévisibilité remarquables, », a déclaré McLeod. "Ce travail démontre que ces antennes optiques à l'échelle nanométrique résonnent avec la lumière tout comme nos simulations le prédisent."

Utile pour les chercheurs étudiant les structures plasmoniques et photoniques, cette boîte à outils sera disponible en téléchargement sur nanoHUB, une ressource informatique pour les nanosciences et la technologie créée par le biais du réseau de la National Science Foundation pour la nanotechnologie informatique.

"Ce travail illustre vraiment le meilleur de ce qu'est la Fonderie Moléculaire, " dit Neaton, qui est également directeur adjoint par intérim de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab. « Trois installations de fonderie distinctes :imagerie, Nanofabrication et théorie—collaboré à une avancée significative dans notre compréhension de la façon dont la lumière visible peut être localisée, manipulé, et imagée à l'échelle nanométrique.

Un article rapportant cette recherche intitulé, « Visualisation non perturbative des distributions de champs plasmoniques à l'échelle nanométrique via la microscopie de localisation de photons, " apparaît dans Lettres d'examen physique et est disponible pour les abonnés en ligne. Co-auteur de l'article avec Schuck, McLeod et Neaton étaient Alexander Weber-Bargioni, Zhaoyu Zhang, Scott Dhuey, Bruce Harteneck et Stefano Cabrini.

Des parties de ce travail à la Molecular Foundry ont été soutenues par le Bureau des sciences du DOE. Le soutien à ce travail a également été fourni par la National Science Foundation à travers le Network for Computational Nanotechnology.