La nouvelle nanoparticule amplificatrice de lumière de l'Université Rice consiste en une sphère d'oxyde de baryum et d'étain de 190 nanomètres de diamètre entourée d'une coquille d'or de 30 nanomètres d'épaisseur. Crédit :Alejandro Manjavacas / Université du riz
Des chercheurs en photonique de l'Université Rice ont dévoilé un nouvel amplificateur à nanoparticules qui peut générer de la lumière infrarouge et augmenter la sortie d'une lumière en capturant et en convertissant l'énergie d'une seconde lumière.
La nouveauté, les dernières nouvelles du Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP), est décrit en ligne dans un article de la revue American Chemical Society Lettres nano . L'appareil fonctionne un peu comme un laser, mais alors que les lasers ont une fréquence de sortie fixe, la sortie de l'« amplificateur paramétrique optique » (OPA) nanométrique de Rice peut être réglée sur une gamme de fréquences qui comprend une partie du spectre infrarouge.
« Les sources lumineuses OPA infrarouges accordables coûtent aujourd'hui environ 100 $, 000 et prennent beaucoup de place sur une table ou une paillasse, " a déclaré l'auteur principal de l'étude, Yu Zhang, un ancien étudiant diplômé de Rice au LANP. "Ce que nous avons démontré, en principe, est une seule nanoparticule qui remplit la même fonction et mesure environ 400 nanomètres de diamètre. »
Par comparaison, c'est environ 15 fois plus petit qu'un globule rouge, et Zhang a déclaré que la réduction d'une source de lumière infrarouge à une si petite échelle pourrait ouvrir des portes à de nouveaux types de détection chimique et d'imagerie moléculaire qui ne sont pas possibles avec la spectroscopie infrarouge nanométrique de pointe d'aujourd'hui.
Zhang, qui a obtenu son doctorat. de Rice en 2014 et travaille aujourd'hui chez Lam Research à Fremont, Californie, ladite amplification paramétrique est utilisée depuis des décennies en microélectronique. Il s'agit de deux signaux d'entrée, un faible et un fort, et deux sorties correspondantes. Les sorties sont également fortes et faibles, mais l'énergie de l'entrée la plus puissante, connue sous le nom de "pompe", est utilisée pour amplifier le "signal" entrant faible et en faire la sortie la plus puissante. La sortie de faible puissance - connue sous le nom de "idler" - contient une fraction résiduelle de l'énergie de la pompe.
"Les amplificateurs paramétriques optiques fonctionnent à la lumière plutôt qu'à l'électricité, " a déclaré Naomi Halas, directrice du LANP, le scientifique principal de la nouvelle étude et le directeur du Rice's Smalley-Curl Institute. « Dans les OPA, une lumière de pompage puissante amplifie considérablement un signal de «graine» faible et génère en même temps une lumière de ralenti. Dans notre cas, les fréquences de pompage et de signal sont visibles, et l'oisif est infrarouge."
Alors que le laser de pompe de l'appareil de Rice a une longueur d'onde fixe, les fréquences de signal et de ralenti sont accordables.
"Les gens ont déjà fait la démonstration de lasers infrarouges à l'échelle nanométrique, mais nous pensons qu'il s'agit de la première source de lumière infrarouge réglable à l'échelle nanométrique, " dit Halas.
La percée est la dernière pour le laboratoire de Halas, la branche de recherche du Smalley-Curl Institute de Rice, spécialisée dans l'étude des nanoparticules activées par la lumière. Par exemple, certaines nanoparticules métalliques convertissent la lumière en plasmons, vagues d'électrons qui s'écoulent comme un fluide à la surface d'une particule. Dans des dizaines d'études au cours des deux dernières décennies, Les chercheurs du LANP ont exploré la physique fondamentale de la plasmonique et montré que les interactions plasmoniques peuvent être exploitées pour des applications aussi diverses que le diagnostic médical, traitement du cancer, collecte d'énergie solaire et calcul optique.
C'est Yu Zhang. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
L'une des spécialités du LANP est la conception de nanoparticules plasmoniques multifonctionnelles qui interagissent avec la lumière de plusieurs manières. Zhang a déclaré que le projet OPA à l'échelle nanométrique nécessitait que l'équipe du LANP crée une seule particule capable de résonner simultanément avec trois fréquences de lumière.
« Il y a des inefficacités intrinsèques dans le processus de l'OPA, mais nous avons pu les pallier en concevant un plasmon de surface à triple résonances à la pompe, fréquences de signal et de ralenti, ", a déclaré Zhang. "La stratégie nous a permis de démontrer une émission accordable sur une gamme de fréquences infrarouges, une étape potentielle importante pour le développement ultérieur de la technologie."
Zhang a déclaré que l'ancien chercheur postdoctoral en physique de Rice, Alejandro Manjavacas, maintenant à l'Université du Nouveau-Mexique, avait effectué les calculs nécessaires pour concevoir la nanoparticule à triple résonance.
Halas a déclaré que le projet a également mis en évidence la force multidisciplinaire de LANP. « En nanophotonique, la recherche appliquée et la recherche fondamentale vont de pair car une compréhension approfondie de la physique fondamentale est ce qui nous permet d'optimiser la conception des particules. C'est pourquoi l'une des missions premières du LANP est de réunir théoriciens et expérimentateurs, et ce projet est un excellent exemple de la façon dont cela porte ses fruits."
