Image au microscope électronique à balayage d'une nano-spirale individuelle. Crédit :Haglund Lab / Vanderbilt
Prenez des spirales d'or de la taille d'un centime… et réduisez-les environ six millions de fois. Le résultat est la plus petite spirale continue du monde :des « nano-spirales » aux propriétés optiques uniques qu'il serait quasiment impossible de contrefaire si elles étaient ajoutées aux cartes d'identité, monnaie et autres objets importants.
Des étudiants et des professeurs de l'Université Vanderbilt ont fabriqué ces minuscules spirales d'Archimède, puis ont utilisé des lasers ultrarapides à Vanderbilt et au Pacific Northwest National Laboratory à Richland, Washington, caractériser leurs propriétés optiques. Les résultats sont rapportés dans un article publié en ligne par le Journal de nanophotonique le 21 mai.
"Ils sont certainement plus petits que toutes les spirales que nous avons trouvées rapportées dans la littérature scientifique, " a déclaré Roderick Davidson II, le doctorant Vanderbilt qui a découvert comment étudier leur comportement optique. Les spirales ont été conçues et réalisées à Vanderbilt par un autre doctorant, Jed Ziegler, maintenant au Naval Research Laboratory.
La plupart des autres chercheurs qui ont étudié les propriétés remarquables des spirales microscopiques l'ont fait en disposant des nanoparticules discrètes dans un motif en spirale :semblable aux spirales dessinées avec une série de points d'encre sur un morceau de papier. Par contre, les nouvelles nano-spirales ont des bras solides et sont beaucoup plus petites :un réseau carré avec 100 nano-spirales sur un côté mesure moins d'un centième de millimètre de large.
Lorsque ces spirales sont réduites à des tailles inférieures à la longueur d'onde de la lumière visible, ils développent des propriétés optiques inhabituelles. Par exemple, lorsqu'ils sont éclairés par une lumière laser infrarouge, ils émettent une lumière bleue visible. Un certain nombre de cristaux produisent cet effet, appelé doublage de fréquence ou génération d'harmoniques, à des degrés divers. Le doubleur de fréquence le plus puissant connu auparavant est le cristal synthétique bêta-borate de baryum, mais les nano-spirales produisent quatre fois plus de lumière bleue par unité de volume.
Simulation par ordinateur des émissions harmoniques produites par une nano-spirale lorsqu'elle est éclairée par une lumière infrarouge. Crédit :Haglund Lab / Vanderbilt
Lorsque la lumière laser infrarouge frappe les minuscules spirales, il est absorbé par les électrons dans les bras d'or. Les bras sont si fins que les électrons sont obligés de se déplacer le long de la spirale. Les électrons qui sont dirigés vers le centre absorbent suffisamment d'énergie pour que certains d'entre eux émettent une lumière bleue à une fréquence double de la fréquence de la lumière infrarouge entrante.
« Ceci est similaire à ce qui se passe avec une corde de violon lorsqu'elle est inclinée vigoureusement, " a déclaré le professeur de physique Stevenson Richard Haglund, qui a dirigé la recherche. "Si vous inclinez très légèrement une corde de violon, elle produit un seul son. Mais, si vous le courbez vigoureusement, il commence également à produire des harmoniques plus élevées, ou des harmoniques. Les électrons au centre des spirales sont entraînés assez vigoureusement par le champ électrique du laser. La lumière bleue est exactement une octave plus élevée que l'infrarouge - la deuxième harmonique."
Les nano-spirales ont également une réponse distinctive à la lumière laser polarisée. Lumière polarisée linéairement, comme celle produite par un filtre Polaroid, vibre dans un seul plan. Lorsqu'il est frappé par un tel faisceau lumineux, la quantité de lumière bleue émise par les nano-spirales varie à mesure que l'angle du plan de polarisation pivote de 360 degrés.
L'effet est encore plus spectaculaire lorsqu'une lumière laser à polarisation circulaire est utilisée. En lumière polarisée circulairement, le plan de polarisation tourne dans le sens horaire ou antihoraire. Lorsque les nano-spirales gauchers sont illuminées avec une lumière polarisée dans le sens des aiguilles d'une montre, la quantité de lumière bleue produite est maximisée car la polarisation pousse les électrons vers le centre de la spirale. Lumière polarisée dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, d'autre part, produit une quantité minimale de lumière bleue car la polarisation a tendance à pousser les électrons vers l'extérieur de sorte que les ondes de tout autour de la nano-spirale interfèrent de manière destructive.
La combinaison des caractéristiques uniques de leur doublement de fréquence et de leur réponse à la lumière polarisée confère aux nano-spirales un effet unique, signature personnalisable qui serait extrêmement difficile à contrefaire, les chercheurs ont dit.
Jusque là, Davidson a expérimenté de petits réseaux de nano-spirales d'or sur un substrat de verre fabriqué par lithographie par faisceau d'électrons à balayage. Des nano-spirales d'argent et de platine pourraient être fabriquées de la même manière. En raison des infimes quantités de métal réellement utilisées, ils peuvent être fabriqués à peu de frais à partir de métaux précieux, qui résistent à la dégradation chimique. Ils peuvent également être réalisés sur du plastique, papier et un certain nombre d'autres substrats.
"Si des nano-spirales étaient intégrées dans une carte de crédit ou une carte d'identité, ils pourraient être détectés par un appareil comparable à un lecteur de code-barres, " dit Haglund.
L'effet de doublement de fréquence est suffisamment puissant pour que des réseaux trop petits pour être vus à l'œil nu puissent être détectés facilement. Cela signifie qu'ils pourraient être placés dans un endroit secret sur une carte, ce qui constituerait une barrière supplémentaire aux contrefacteurs.
Les chercheurs soutiennent également que les réseaux de nano-spirales codés pourraient être encapsulés et placés dans des explosifs, produits chimiques et drogues - toute substance que quelqu'un souhaite suivre de près - puis détectés à l'aide d'un appareil de lecture optique.
