Les nanoantennes plasmoniques sont parmi les sujets brûlants de la science en ce moment en raison de leur capacité à interagir fortement avec la lumière, ce qui, par exemple, les rend utiles pour différents types de détection. Mais faisant correspondre leurs résonances avec des atomes, molécules ou ce que l'on appelle les points quantiques a été difficile jusqu'à présent en raison des échelles de longueur très différentes impliquées. Grâce à une subvention de la fondation Engkvist, Timur Shegai, professeur adjoint à l'Université de technologie Chalmers, espère trouver un moyen de le faire et ainsi ouvrir des portes pour des applications telles que des canaux de communication longue distance sûrs.

La limite de diffraction rend très difficile l'interaction de la lumière avec les plus petites particules ou les systèmes quantiques tels que les atomes, molécules ou points quantiques. La taille d'une telle particule est tout simplement tellement plus petite que la longueur d'onde de la lumière qu'il ne peut y avoir d'interaction forte entre les deux. Mais en utilisant des nanoantennes plasmoniques, qui peuvent être décrites comme des nanostructures métalliques capables de focaliser la lumière très fortement et dans des longueurs d'onde inférieures à celles de la lumière visible, on peut construire un pont entre la lumière et l'atome, molécule ou point quantique et c'est sur quoi travaille Timur Shegai.

"Les nanostructures plasmoniques sont elles-mêmes plus petites que les longueurs d'onde de la lumière, mais parce qu'ils ont beaucoup d'électrons libres, ils peuvent stocker l'énergie électromagnétique dans un volume qui est en fait beaucoup plus petit que la limite de diffraction, qui aide à combler le fossé entre les très petits objets tels que les molécules et les plus grandes longueurs d'onde de la lumière, " il dit.

Faire correspondre l'harmonique avec le non-harmonique

Cela peut sembler assez facile, mais le problème avec la combinaison des deux est qu'ils se comportent de manières très différentes. Le comportement des nanostructures plasmoniques est très linéaire, comme un oscillateur harmonique, il se déplacera régulièrement d'un côté à l'autre quelle que soit la quantité d'énergie ou, en d'autres termes, le nombre d'excitations qui y sont stockées. D'autre part, ce qu'on appelle les systèmes quantiques comme les atomes, les molécules ou les points quantiques sont tout le contraire – leurs propriétés optiques sont très peu harmoniques. Ici, cela fait une grande différence si vous excitez le système avec un, deux ou des centaines de photons.

« Maintenant, imaginez que vous couplez ce résonateur non harmonique et un résonateur harmonique, et ajouter la possibilité d'interagir avec une lumière beaucoup plus forte que le système non harmonique seul aurait permis. Cela ouvre des perspectives très intéressantes pour les technologies quantiques et pour l'optique non-linéaire par exemple. Mais contrairement aux tentatives précédentes qui ont été faites à très basse température et sous vide, nous le ferons à température ambiante."

Canaux de communication impossibles à pirater

Une application possible où cette technologie pourrait être utile à l'avenir est de créer des canaux pour les communications longue distance qui sont impossibles à pirater. Avec la technologie actuelle, ce type de communication sécurisée n'est possible que si les personnes qui communiquent se trouvent à une distance d'environ une centaine de kilomètres les unes des autres, car c'est la distance maximale qu'un photon individuel peut parcourir dans les fibres avant qu'il ne se disperse et que le signal soit perdu.

"Le type de technologie ultra petite et ultra rapide que nous voulons développer pourrait être utile dans un soi-disant répéteur quantique, un dispositif qui pourrait être installé sur la ligne reliant par exemple New York à Londres, qui répéterait le photon chaque fois qu'il est sur le point d'être diffusé, " dit Timur Shegai.

Pour le moment cependant, ce sont les aspects fondamentaux de la fusion des plasmons avec les systèmes quantiques qui intéressent Timur Shegai. Pour pouvoir prouver expérimentalement qu'il peut y avoir des interactions entre les deux systèmes, il doit tout d'abord fabriquer des systèmes modèles au niveau nano. C'est un grand défi, mais avec l'octroi de 1, 6 millions SEK sur une période de deux ans qu'il vient de recevoir de la fondation Engkvist, les chances de succès se sont améliorées.

"Comme je suis chercheur au début de ma carrière, chaque personne est une énorme amélioration et maintenant je peux embaucher un post-doctorant pour travailler avec mon groupe. Cela signifie que le projet peut être divisé en sous-parties et ensemble nous pourrons explorer plus de possibilités sur cette nouvelle technologie."