Des scientifiques de l'EPFL montrent comment une force induite par la lumière peut amplifier la sensibilité et la résolution d'une technique utilisée pour étudier des molécules individuelles.

Lorsqu'il s'agit d'étudier des molécules isolées, les scientifiques utilisent une technique puissante appelée "diffusion Raman améliorée en surface" (SERS). Un outil extrêmement sensible, SERS détecte les vibrations dans les atomes de la molécule illuminée comme un changement de couleur de la lumière. Mais la sensibilité du SERS est limitée à température ambiante car les molécules vibrent trop faiblement. Publication dans Nature Nanotechnologie , Les scientifiques de l'EPFL montrent maintenant que cet obstacle peut être surmonté avec les outils de l'optomécanique des cavités - l'interaction entre la lumière et les objets mécaniques. Le travail a des applications pratiques importantes, car il peut pousser les capacités de SERS encore plus loin.

Spectroscopie Raman et vibrations faibles

SERS est basé sur les principes de la spectroscopie Raman, une ancienne technique utilisée pour sonder les molécules :lorsque la lumière laser les éclaire, il interagit avec leurs vibrations (par exemple l'étirement d'une liaison entre deux atomes). Par conséquent, la longueur d'onde de la lumière se déplace, changer sa couleur. Ce changement devient l'empreinte unique du type de molécule sondée.

Cependant, La spectroscopie Raman est limitée lorsqu'il s'agit de molécules uniques car elles interagissent très faiblement avec la lumière. Cela se produit principalement pour deux raisons :d'abord, une seule molécule est environ mille fois plus petite que la longueur d'onde de la lumière entrante. Développé il y a une quarantaine d'années, Le SERS a surmonté ce problème en exploitant un minuscule nuage d'électrons oscillants dans des nanoparticules métalliques excitées par la lumière laser. Le nuage est connu sous le nom de « plasmon » et il peut être localisé dans des espaces de la taille du nanomètre où les molécules peuvent être placées.

En d'autres termes, les nanoparticules métalliques agissent comme des nano-antennes qui focalisent la lumière jusqu'aux dimensions moléculaires; cette approche a amélioré la sensibilité du SERS de plus de 10 ordres de grandeur. Cependant, la seconde limitation de Raman a persisté sans solution :les molécules vibrent très faiblement à température ambiante - ou, en termes techniques, « les modes vibrationnels pertinents sont gelés ».

Amplifier les vibrations moléculaires avec la lumière

Deux membres du laboratoire de Tobias J. Kippenberg à l'EPFL ont désormais trouvé une solution théorique à ce problème, montrant que SERS peut en fait être poussé encore plus loin en termes de sensibilité et de résolution. La clé pour surmonter les faibles vibrations est le nuage d'électrons oscillants, le plasmon, qui peut exercer une force sur les vibrations de la molécule testée.

Les chercheurs Philippe Roelli et Christophe Galland, ont pu déterminer les conditions exactes nécessaires à cette force induite par la lumière pour conduire les vibrations de la molécule à de grandes amplitudes. La communauté scientifique ayant défini des orientations spécifiques dans ce domaine, les chercheurs ont choisi les longueurs d'onde laser et les propriétés des structures plasmoniques contre celles-ci.

Obtenir plus de signal d'une molécule

Comme la force lumineuse amplifie les vibrations de la molécule, l'interaction entre la molécule et la lumière laser confinée se renforce également. Cela peut augmenter considérablement le signal que SERS capte, bien au-delà de ce qui peut être atteint par des mécanismes connus auparavant.

"Notre travail offre des lignes directrices spécifiques pour la conception de nanostructures métalliques et de schémas d'excitation plus efficaces pour SERS, " dit Philippe Roelli. " Il peut repousser les limites de la technique en sensibilité et en résolution. " Ce faisant, l'étude ouvre de nouvelles pistes de recherche dans le contrôle des vibrations moléculaires avec la lumière, avec des applications potentielles allant de la biologie et de la chimie aux technologies quantiques.