Une équipe pluridisciplinaire au Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales (CEMES, CNRS), travaillant en collaboration avec des physiciens à Singapour et des chimistes à Bristol (Royaume-Uni), ont montré que des nanoparticules d'or cristallines alignées puis fusionnées en longues chaînes peuvent être utilisées pour confiner l'énergie lumineuse à l'échelle nanométrique tout en permettant sa propagation à longue distance. Leurs travaux ont été publiés en ligne sur le site de Matériaux naturels le 26 octobre.

La lumière peut être utilisée pour transmettre des informations. Cette propriété est, par exemple, utilisé dans la fibre optique, et offre une alternative intéressante à la microélectronique. L'utilisation de la lumière augmente les taux de transmission et réduit les pertes d'énergie causées par le chauffage lorsqu'un signal électrique est utilisé. Cependant, plusieurs obstacles restent à surmonter, en particulier celui de la miniaturisation :la fibre optique rend difficile le confinement de la lumière dans des volumes inférieurs au micromètre (10 ^-6 mètres).

Les électrons se déplacent librement à travers les métaux et se mettent parfois à osciller collectivement à leur surface sous l'effet de la lumière, comme dans les métaux nobles comme l'or et l'argent. Les propriétés de telles oscillations collectives, connu sous le nom de plasmons, ont, au cours des vingt dernières années, ouvert la voie au confinement sous-longueur d'onde (c'est-à-dire moins d'un micromètre) de l'énergie lumineuse. En transmettant l'énergie transportée par les photons aux électrons en mouvement, il est possible de transporter des informations dans des structures plus étroites que les fibres optiques. Pour atteindre un confinement encore plus grand, la plasmonique se concentre désormais sur les propriétés optiques des nanoparticules cristallines. La surface cristalline lisse évite de perturber les oscillations des électrons et réduit les pertes d'énergie. L'exploitation des propriétés de telles nanoparticules devrait donc permettre de réaliser simultanément des confinements dans le domaine nanométrique et le transport d'informations à longue distance.

Dans cette étude, les chercheurs ont montré que lorsque des nanoparticules d'or d'un diamètre de dix nanomètres sont alignées en chaîne, les plasmons qu'ils transportent génèrent des oscillations spécifiques propices à une propagation très confinée. Cependant, de l'énergie est perdue à chaque passage entre deux nanoparticules. Bien que cette caractéristique puisse être exploitée pour certaines applications qui nécessitent des sources de chaleur très localisées, surtout en médecine, il n'est pas propice à la propagation à longue distance.

Les chercheurs ont donc soigneusement fusionné les nano-billes en focalisant sur elles un faisceau d'électrons de haute énergie, formant ainsi un réseau cristallin continu. Ils ont observé que les pertes d'énergie étaient réduites et que les plasmons étaient libres d'osciller sur de très longues distances, tout en restant confiné dans le diamètre des nanoparticules. Dans cette chaîne de perles, qui ne fait qu'une dizaine de nanomètres de large, l'information peut voyager jusqu'à 4000 nanomètres.

Un autre défi relevé avec succès dans cette étude était de cartographier, avec une précision exceptionnelle, les oscillations électroniques observées à la surface de la chaîne de nanoparticules. Les différents types de mouvement des plasmons ont été caractérisés à l'aide d'une technique de microscopie appelée spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS), dont la très fine résolution spatiale et spectrale a permis aux chercheurs de proposer un nouveau modèle théorique du comportement des plasmons. Les simulations basées sur ce modèle reproduisent les expériences avec une précision sans précédent.

Ce travail, fruit d'une collaboration de longue date avec des équipes de Bristol et de Singapour, pourrait conduire à une miniaturisation extrême du guidage lumineux et ouvrir la voie à des applications de capteurs, par exemple dans le photovoltaïque, et dans les télécommunications.