Depuis des siècles, les artistes ont mélangé de la poudre d'argent et d'or avec du verre pour fabriquer des fenêtres colorées pour décorer des bâtiments. Les résultats étaient impressionnants, mais ils n'avaient pas de raison scientifique expliquant comment ces ingrédients constituaient ensemble des vitraux. Au début du 20e siècle, le physicien Gustav Mie a découvert que la couleur d'une nanoparticule métallique est liée à sa taille et aux propriétés optiques du métal et des matériaux adjacents.

Les chercheurs n'ont découvert que récemment la pièce manquante de ce puzzle. Les verriers médiévaux seraient surpris de découvrir qu'ils exploitaient ce que les scientifiques appellent aujourd'hui la plasmonique :un nouveau champ basé sur les oscillations électroniques appelées plasmons.

Concentrer la lumière

La plasmonique démontre comment la lumière peut être guidée le long de surfaces métalliques ou à l'intérieur de films métalliques d'une épaisseur nanométrique. Cela fonctionne comme ceci :au niveau atomique, les cristaux métalliques ont une structure en treillis très organisée. Le réseau contient des électrons libres, pas étroitement associé aux atomes de métal, qui interagissent avec la lumière qui les frappe.

Ces électrons libres commencent collectivement à osciller par rapport à la position fixe des noyaux chargés positivement dans le réseau métallique. Comme la densité des molécules d'air dans une onde sonore, la densité électronique fluctue dans le réseau métallique sous la forme d'une onde plasmon.

Lumière visible, qui a une longueur d'onde d'environ un demi-micromètre, peuvent ainsi être concentrés d'un facteur près de 100 pour traverser des films métalliques de quelques nanomètres (nm) d'épaisseur. C'est 1, 000 fois plus petit qu'un cheveu humain. Le nouvel état mixte lumière-électron-onde permet des interactions lumière-matière intenses avec des propriétés optiques sans précédent.

Que peut faire la plasmonique ?

La plasmonique pourrait révolutionner la façon dont les ordinateurs ou les smartphones transfèrent les données au sein de leurs circuits électroniques intégrés. Le transfert de données dans les circuits intégrés électroniques actuels se fait via le flux d'électrons dans des fils métalliques. En plasmonique, c'est dû au mouvement oscillatoire autour des noyaux positifs. Le transfert de données prend donc plus de temps dans l'ancienne technologie. Étant donné que le transfert de données plasmonique se produit avec des ondes lumineuses et non avec un flux d'électrons (courant électrique) comme dans les fils métalliques conventionnels, la transmission des données serait ultra-rapide (proche de la vitesse de la lumière) - similaire aux technologies actuelles de fibre de verre. Mais les films métalliques plasmoniques sont plus de 100 fois plus minces que les fibres de verre. Cela pourrait accélérer, technologies de l'information plus fines et plus légères.

Les plasmons de surface sont également exceptionnellement sensibles à tout matériau à côté du film métallique. Une faible concentration d'atomes, des molécules ou des bactéries liées à la surface du métal peuvent modifier la propriété de ses plasmons. Cette fonction peut être utilisée pour la détection biologique et chimique à des concentrations extrêmement faibles - par exemple, pour examiner l'eau polluée.

S'il est correctement conçu, des multicouches de nanostructures métal/isolant plasmoniques forment des métamatériaux artificiels, où le mot grec "meta" signifie "au-delà". Contrairement à tout autre matériau dans la nature, ces métamatériaux ont un indice de réfraction négatif. C'est une mesure de la quantité de lumière qui change de direction lorsqu'elle pénètre dans un isolant transparent. Isolateurs, y compris le verre, avoir un indice de réfraction positif; ils courbent la lumière qui entre à un certain angle plus proche de la perpendiculaire à la surface de l'isolant.

En revanche, les métamatériaux multicouches courbent la lumière dans la direction « opposée ». Cette propriété fascinante peut être utilisée pour masquer des objets en les recouvrant d'une enveloppe en métamatériau. La feuille guide la lumière en douceur autour de l'objet au lieu de la refléter. Presque incroyable, l'objet masqué devient invisible.

D'autres applications incluent des superlentilles optiques avec une résolution nettement plus élevée par rapport aux microscopes optiques ordinaires. Ils pourraient permettre aux scientifiques de voir des objets aussi petits qu'environ 100 nm. C'est environ un dixième de la taille d'un germe typique.

Il existe quelques capes optiques et superlentilles de preuve de principe. But high resistivity losses in the metal layers which convert the light-electron-wave energy into heat currently limit the feasibility of many applications.

Manufacturing plasmonic nanowires

High resistivity losses are the major issue with plasmonics. To overcome these limitations, we design and fabricate unique plasmonic metal/organic/semiconductor nanowire heterostructures. Our goal is to excite the semiconductor nanowires with an external light source, then use the internal radiation in the nanowires as an energy-pump source to compensate for metallic losses. Par ici, the nanowires couple light energy in concert with the light-electron-oscillations to the metal film, thus restoring the amplitude of the damped plasmon wave.

We use the organic molecular beam deposition (OMBD) method to coat the semiconductor nanowires with metal/organic multilayers. In the OMBD chamber, organic and metal materials reside in heatable cylindrical cells. We evaporate both organic molecules and metal atoms in heated cells at ultra-high vacuum (which is hundreds of billion times lower than atmosphere pressure). Then we direct the molecular and atom beams we have produced toward the semiconductor nanowire sample. The thickness of the resulting deposited film on the nanowire is controlled by mechanical shutters at the cell openings.

The energy-transfer processes from the optically excited semiconductor nanowire to the plasmon oscillations in the surrounding metal film are studied with ultrafast spectroscopic techniques.

Results from our studies will provide a new understanding of light-electron-waves in the novel and unique metal-semiconductor environment. Avec un peu de chance, we will open new prospects for designing low-loss or loss-free plasmonic devices. Ideally we want to enable new and important applications in information technologies, biological sensing and national defense. We further envision our investigations having a strong impact in other research fields:for instance, by utilizing the biocompatibility of our hybrid organic/metal structures, by enhancing the light emission in light-emitting diodes and laser structures or by improving light harvesting in photovoltaic devices.

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de The Conversation (sous Creative Commons-Attribution/Pas de dérivés).