En mesurant les propriétés uniques de la lumière à l'échelle d'un seul atome, des chercheurs de l'Université Duke et de l'Imperial College, Londres, croient qu'ils ont caractérisé les limites de la capacité du métal dans les appareils qui améliorent la lumière.

Ce domaine est connu sous le nom de plasmonique parce que les scientifiques essaient de tirer parti des plasmons, électrons qui ont été "excités" par la lumière dans un phénomène qui produit une augmentation du champ électromagnétique. L'amélioration obtenue par les métaux à l'échelle nanométrique est nettement supérieure à celle pouvant être obtenue avec tout autre matériau.

Jusqu'à maintenant, les chercheurs ont été incapables de quantifier les interactions plasmoniques à de très petites tailles, et ont donc été incapables de quantifier les limites pratiques de l'amélioration de la lumière. Ces nouvelles connaissances leur donnent une feuille de route pour contrôler précisément la diffusion de la lumière qui devrait aider au développement de dispositifs, tels que les capteurs médicaux et les composants de communication photonique intégrés.

Typiquement, les dispositifs plasmoniques impliquent les interactions d'électrons entre deux particules métalliques séparées par une très courte distance. Depuis 40 ans, les scientifiques ont essayé de comprendre ce qui se passe lorsque ces particules sont rapprochées de plus en plus, à des distances inférieures au nanomètre.

« Nous avons pu démontrer la précision de notre modèle en étudiant la diffusion optique des nanoparticules d'or interagissant avec un film d'or, " dit Cristian Ciracì, chercheur postdoctoral à la Duke's Pratt School of Engineering. "Nos résultats fournissent un support expérimental solide pour fixer une limite supérieure à l'amélioration maximale du champ réalisable avec les systèmes plasmoniques."

Les résultats des expériences, qui ont été menées dans le laboratoire de David R. Smith, William Bevan Professeur de génie électrique et informatique à Duke, apparaissent sur la couverture de Science , 31 août 2012.

Ciracì et son équipe sont partis d'un mince film d'or recouvert d'une monocouche ultra-mince de molécules organiques, parsemé de chaînes de carbone contrôlables avec précision. Des sphères d'or nanométriques ont été dispersées au-dessus de la monocouche. L'essentiel de l'expérience était que la distance entre les sphères et le film pouvait être ajustée avec une précision d'un seul atome. Dans cette mode, les chercheurs ont pu surmonter les limitations des approches traditionnelles et obtenir une signature photonique avec une résolution au niveau de l'atome.

"Une fois que vous connaissez l'amélioration maximale du champ, vous pouvez alors déterminer l'efficacité de n'importe quel système plasmonique, " a déclaré Smith. " Cela nous permet également de " régler " le système plasmonique pour obtenir des améliorations prévisibles exactes, maintenant que nous savons ce qui se passe au niveau atomique. Le contrôle de ce phénomène a de profondes ramifications pour l'optique non linéaire et quantique."

L'équipe Duke a travaillé avec des collègues de l'Imperial College, spécifiquement Sir John Pendry, qui a longtemps collaboré avec Smith.

"Cet article pousse l'expérience au-delà du nano et explore la science de la lumière à une échelle de quelques dixièmes de nanomètre, le diamètre d'un atome typique, " dit Pendry, physicien et co-directeur du Center for Plasmonics and Metamaterials de l'Imperial College. "Nous espérons exploiter cette avancée pour permettre aux photons, normalement quelques centaines de nanomètres, d'interagir intensément avec des atomes mille fois plus petits."