Un nouveau type de "nanotweezer" capable de positionner de minuscules objets rapidement et avec précision et de les congeler en place pourrait permettre d'améliorer les méthodes de détection à l'échelle nanométrique et aider la recherche à fabriquer des technologies avancées telles que les ordinateurs quantiques et les écrans à ultra-haute résolution.

Le dispositif, fabriqué au Birck Nanotechnology Center de l'Université Purdue, utilise une "nanoantenne" cylindrique en or d'un diamètre de 320 nanomètres, ou environ 1/300e de la largeur d'un cheveu humain. Les structures concentrent et absorbent la lumière, aboutissant à des "points chauds plasmoniques" et permettant de manipuler des objets à l'échelle nanométrique en suspension dans un fluide.

"L'approche proposée permet la mise en œuvre immédiate d'une myriade d'applications passionnantes, " a déclaré Alexandra Boltasseva, professeur agrégé de génie électrique et informatique.

Les résultats sont détaillés dans un article publié en ligne dans Nature Nanotechnologie Lundi (2 novembre).

Les dispositifs plasmoniques exploitent des nuages ​​d'électrons appelés plasmons de surface pour manipuler et contrôler la lumière. Les applications potentielles de la nanopince comprennent des capteurs nanométriques à sensibilité améliorée et l'étude de nano-objets synthétiques et naturels, notamment des virus et des protéines ; création de « nanoassemblages » de matériaux plasmoniques qui pourraient permettre une multitude de technologies avancées; affichages "optofluidiques" ultra-résolution; et des circuits plasmoniques pour les unités logiques quantiques.

La nanopince peut être utilisée pour créer des dispositifs contenant des particules de nanodiamant ou d'autres structures électroluminescentes à l'échelle nanométrique qui peuvent être utilisées pour améliorer la production de photons uniques, chevaux de bataille du traitement de l'information quantique, qui pourrait apporter des ordinateurs supérieurs, cryptographie et technologies de la communication.

Les ordinateurs conventionnels utilisent des électrons pour traiter l'information. Cependant, les performances pourraient être considérablement améliorées en utilisant les propriétés quantiques uniques des électrons et des photons, dit Vladimir M. Shalaev, co-directeur d'un nouveau Purdue Quantum Center, directeur scientifique de la nanophotonique au Birck Nanotechnology Center et éminent professeur de génie électrique et informatique.

"Il a été démontré que le système nanotweezer provoque une convection dans le fluide à la demande, résultant en un transport de nanoparticules en micromètres par seconde en exploitant une seule nanoantenne plasmonique, que l'on croyait jusqu'ici impossible, ", a déclaré le doctorant Justus C. Ndukaife.

Des recherches antérieures avaient montré que la convection utilisant une seule nanoantenne plasmonique était trop faible pour induire une convection aussi forte, en dessous de 10 nanomètres par seconde, qui ne peut pas entraîner un transport net de particules en suspension.

Cependant, les chercheurs de Purdue ont surmonté cette limitation, augmenter la vitesse de transport des particules de 100 fois en appliquant un champ électrique à courant alternatif en conjonction avec le chauffage de la nanoantenne plasmonique à l'aide d'un laser pour induire une force beaucoup plus forte que ce qui serait autrement possible.

"L'intensité du champ électromagnétique local est fortement améliorée, plus de 200 fois, au point chaud plasmonique, " a déclaré Ndukaife. " La chose intéressante à propos de ce système est que non seulement nous pouvons piéger les particules, mais aussi effectuer des tâches utiles parce que nous avons ces points chauds. Si j'apporte une particule au hotspot, je peux faire des mesures, et la détection est améliorée car elle se trouve dans un hotspot."

La nouvelle nanopince hybride combine une lumière laser proche infrarouge et un champ électrique, induisant un "flux électrothermoplasmonique".

"Puis, une fois le champ électrique coupé, le laser maintient les particules en place, il peut donc fonctionner en deux modes. D'abord, le transport rapide en courant alternatif, et puis vous coupez le champ électrique et il passe en mode pincement plasmonique, " il a dit.

Les chercheurs de Purdue sont les premiers à induire un flux électrothermoplasmonique à l'aide de structures plasmoniques.

Le système permet également de créer des motifs pour projeter des images, potentiellement pour les écrans avec une résolution ultra-fine.

Le laser piège les particules, permettant de les positionner précisément. La technique a été démontrée avec des particules de polystyrène.