Dans une étude qui pourrait ouvrir la porte à de nouvelles applications de la photonique, de la détection moléculaire aux communications sans fil, Les scientifiques de l'Université Rice ont découvert une nouvelle méthode pour régler les vibrations induites par la lumière des nanoparticules grâce à de légères altérations de la surface à laquelle les particules sont attachées.

Dans une étude publiée en ligne cette semaine dans Communication Nature , des chercheurs du Laboratoire Rice pour la nanophotonique (LANP) ont utilisé des impulsions laser ultrarapides pour faire vibrer les atomes des nanodisques d'or. Ces modèles vibratoires, appelés phonons acoustiques, ont une fréquence caractéristique directement liée à la taille de la nanoparticule. Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient affiner la réponse acoustique de la particule en faisant varier l'épaisseur du matériau auquel les nanodisques étaient attachés.

"Nos résultats pointent vers une méthode simple pour régler la fréquence des phonons acoustiques d'une nanostructure dans la gamme du gigahertz en contrôlant l'épaisseur de sa couche d'adhérence, " a déclaré le chercheur principal Stephan Link, professeur agrégé de chimie et de génie électrique et informatique.

La lumière n'a pas de masse, mais chaque photon qui frappe un objet donne une infime quantité de mouvement mécanique, grâce à un phénomène connu sous le nom de pression de rayonnement. Une branche de la physique connue sous le nom d'optomécanique s'est développée au cours de la dernière décennie pour étudier et exploiter la pression de rayonnement pour des applications telles que la détection des ondes de gravité et la génération à basse température.

Link et ses collègues du LANP se spécialisent dans une autre branche de la science appelée plasmonique qui est consacrée à l'étude des nanostructures activées par la lumière. Les plasmons sont des vagues d'électrons qui circulent comme un fluide sur une surface métallique.

Lorsqu'une impulsion lumineuse d'une longueur d'onde spécifique frappe une particule métallique comme les nanodisques d'or en forme de rondelle dans les expériences LANP, l'énergie lumineuse est convertie en plasmons. Ces plasmons traversent la surface de la particule avec une fréquence caractéristique, de la même manière que chaque phonon a une fréquence de vibration caractéristique.

Le premier auteur de l'étude, Wei Shun Chang, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Link, et les étudiants diplômés Fangfang Wen et Man-Nung Su ont mené une série d'expériences qui ont révélé une connexion directe entre les fréquences de résonance des plasmons et des phonons dans des nanodisques qui avaient été exposés à des impulsions laser.

"Chauffer des nanostructures avec une courte impulsion lumineuse lance des phonons acoustiques qui dépendent sensiblement des dimensions de la structure, " dit Link. "Grâce aux techniques lithographiques avancées, les expérimentateurs peuvent concevoir des nanostructures plasmoniques avec une grande précision. Sur la base de nos résultats, il apparaît que les nanostructures plasmoniques peuvent présenter une alternative intéressante aux oscillateurs optomécaniques conventionnels."

Chang a déclaré que les experts en plasmonique s'appuient souvent sur des substrats lorsqu'ils utilisent la lithographie par faisceau d'électrons pour modeler les structures plasmoniques. Par exemple, les nanodisques d'or comme ceux utilisés dans les expériences ne colleront pas aux lames de verre. Mais si un substrat mince de titane ou de chrome est ajouté au verre, les disques adhéreront et resteront là où ils sont placés.

"La couche de substrat affecte les propriétés mécaniques de la nanostructure, mais de nombreuses questions subsistent quant à la façon dont il le fait, ", a déclaré Chang. "Nos expériences ont exploré l'impact de l'épaisseur du substrat sur les propriétés telles que l'adhérence et la fréquence phononique."

Link a déclaré que la recherche était un effort de collaboration impliquant des groupes de recherche de Rice et de l'Université de Melbourne à Victoria, Australie.

"Wei-Shun et Man-Nung de mon laboratoire ont fait la spectroscopie ultrarapide, " dit Link. " Fangfang, qui fait partie du groupe de Naomi Halas ici à Rice, fait les nanodisques. John Sader à l'Université de Melbourne, et son postdoctorant Debadi Chakraborty a calculé les modes acoustiques, et Yue Zhang, un étudiant diplômé de Rice du groupe de Peter Nordlander à Rice a simulé les propriétés optiques/plasmoniques. Bo Shuang du groupe de recherche des Landes à Rice a contribué à l'analyse des données expérimentales."