Le photon incident excite le niveau vibrationnel de la molécule (marqué en rouge), ce qui amène la molécule à émettre le photon à une longueur d'onde différente. Image reproduite avec l'aimable autorisation des auteurs de l'étude. Crédit :Institut de physique et de technologie de Moscou
Les scientifiques du MIPT, Université ITMO (Saint-Pétersbourg), et leurs collègues de l'Australian National University ont démontré expérimentalement que les nanoparticules de silicium peuvent augmenter considérablement l'intensité de l'effet Raman. Ces découvertes pourraient contribuer au développement d'émetteurs de lumière et d'amplificateurs nanométriques pour les lignes de télécommunications à fibre optique. Les résultats de l'étude ont été publiés dans Nanoéchelle .
D'habitude, quand la lumière interagit avec la matière, il ne change pas de couleur, c'est à dire., la longueur d'onde de la lumière reste la même. Il y a des exceptions, cependant, et l'un d'eux est le soi-disant effet Raman. Dans ce cas, la lumière incidente interagit avec une molécule de telle manière que l'énergie de la molécule augmente d'une valeur correspondant au mouvement de vibration de la molécule. La molécule réémet alors un photon avec une énergie plus faible et par conséquent une longueur d'onde plus longue, ce qui signifie que la lumière devient " plus rouge ". Ce processus peut également se produire dans les cristaux en vrac.
La découverte de l'effet Raman a lancé un tout nouveau domaine de la science appliquée :la spectroscopie Raman. Cette méthode permet aux chercheurs de détecter des molécules individuelles de substances chimiques. En outre, l'effet Raman est aujourd'hui largement utilisé dans les réseaux à fibres optiques pour l'amplification du signal.
Jusqu'à maintenant, des guides d'ondes et des microcavités sphériques plus grandes que la longueur d'onde d'émission ont été principalement utilisés pour l'amélioration de l'effet Raman. Cependant, la miniaturisation des dispositifs de télécommunication nécessite le développement de composants optiques plus petits, moins énergivores et plus faciles à « emballer » sur une puce électronique ou optique.
Le rayonnement incident excite la résonance de la particule - mode dipôle magnétique indiqué par la flèche bleue. Le champ électrique du mode magnétique interagit avec les vibrations du réseau cristallin dans la nanoparticule de silicium résonante, ce qui provoque une modification de la longueur d'onde de la lumière diffusée. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation des auteurs de l'étude.
Les scientifiques, dont Denis Baranov du MIPT a cherché à miniaturiser les amplificateurs Raman.
Les chercheurs ont utilisé des nanosphères de silicium qui prennent en charge les résonances optiques, les soi-disant résonances de Mie. Ils existent dans toutes les particules sphériques et les longueurs d'onde de ces résonances dépendent de la taille des particules. L'une des résonances qui se produit pour la plus grande longueur d'onde est la résonance magnétique dipolaire - sa longueur d'onde est généralement comparable au diamètre de la particule. En silicium, cependant, en raison de son grand indice de réfraction, la résonance magnétique dipolaire est observée dans le domaine optique (à des longueurs d'onde supérieures à 300 nanomètres) pour des nanoparticules d'un diamètre d'environ 100 nanomètres.
Ce fait rend de minuscules nanoparticules de silicium utiles comme éléments miniatures pour améliorer divers phénomènes optiques, y compris l'émission lumineuse spontanée, absorption lumineuse améliorée, et la génération d'harmoniques élevées.
Encart :une image d'une particule individuelle vue au microscope électronique. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation des auteurs de l'étude.
Dans l'expérience, les scientifiques ont étudié le comportement de nanoparticules de silicium de différentes tailles. Afin de déterminer la taille des particules, ils les ont placés sous un microscope et les ont illuminés avec une lumière blanche. Des particules de différents diamètres présentent des résonances de Mie à différentes longueurs d'onde, ce qui donne différentes couleurs brillantes dans l'image en fond noir.
Les scientifiques ont ensuite testé comment l'intensité de l'émission Raman dépend du diamètre d'une particule de silicium. L'intensité de l'émission Raman était maximale au diamètre de résonance de la particule, ce qui était tout à fait conforme à la théorie développée par les auteurs. L'intensité de l'émission Raman des particules résonantes était plus de 100 fois supérieure à celle des particules non résonantes d'autres diamètres.
"L'effet Raman est incroyablement utile dans la pratique, et aidera non seulement à détecter des quantités microscopiques de composés chimiques, mais aussi dans la transmission d'informations sur de longues distances. En raison de la poursuite de petits appareils électroniques et optiques, il devient de plus en plus important pour nous de rechercher des nanostructures capables de renforcer cet effet. Nos observations ont révélé un candidat potentiel :les nanoparticules de silicium, " a déclaré Denis Baranov, un étudiant de troisième cycle du MIPT et l'un des auteurs de l'article.
Les nanoparticules de silicium pourraient servir de base au développement d'amplificateurs optiques miniatures pour les réseaux à fibres optiques. À l'avenir, ces particules pourraient fournir une plate-forme pour la construction d'un nanolaser compact utilisant la diffusion Raman stimulée, qui offre des perspectives d'applications très intéressantes en médecine et en biomicroscopie. En particulier, la détection de signaux d'émission Raman à partir de particules dans le corps humain permettra aux spécialistes de suivre le mouvement des molécules médicamenteuses.
Le point maximum correspond à l'excitation de la résonance magnétique dipolaire d'une nanoparticule de silicium. Encart :la distribution du champ électrique à l'intérieur d'une particule résonante. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation des auteurs de l'étude.
