Les nanotubes de carbone peuvent être produits avec une variété de formes et de propriétés et sont donc d'un grand intérêt pour des applications généralisées dans des domaines aussi divers que l'électronique, photonique, nanomécanique, et l'optique quantique. Il est donc important de disposer d'un outil permettant de déterminer ces propriétés de manière rapide et précise. La spectroscopie Raman est particulièrement sensible à la structure chimique qui donne naissance à ces propriétés. Cependant, les signaux sont intrinsèquement faibles et nécessitent des techniques d'amélioration. Maintenant, une équipe de chercheurs de la division de spectroscopie laser du professeur Theodor W. Hänsch (directeur à l'Institut Max Planck d'optique quantique et chaire de physique expérimentale à la Ludwig-Maximilians-Universität, Munich) a développé une technique, où une microcavité optique est utilisée pour améliorer les signaux de diffusion Raman, et l'a utilisé pour le diagnostic moléculaire par imagerie combinée Raman et absorption. Contrairement à d'autres techniques, la nouvelle approche repose uniquement sur des fluctuations de vide accrues du champ électromagnétique à l'intérieur d'une cavité, qui permet une amélioration significative sans arrière-plan indésirable, et rend ainsi la technique un outil prometteur pour l'imagerie moléculaire.

Chaque espèce moléculaire a sa propre empreinte de fréquences vibrationnelles qui véhicule des informations sur sa structure chimique. La spectroscopie Raman permet de détecter optiquement le spectre vibrationnel de manière puissante par diffusion inélastique de la lumière. En tant que technique optique, il peut permettre l'imagerie spatiale et combiner ainsi un contraste chimique avec une haute résolution spatiale. Cette capacité ouvre une grande variété d'applications pour la microscopie Raman, allant de l'analyse d'échantillons biologiques à la caractérisation de nanomatériaux et au suivi de procédés industriels.

Dans la présente étude, des nanotubes de carbone individuels sont étudiés. Les nanotubes sont disponibles dans une variété de diamètres et peuvent être métalliques ou semi-conducteurs. La spectroscopie Raman est particulièrement sensible à la structure moléculaire qui régit ces propriétés, et l'imagerie Raman permet de déterminer cela pour des nanotubes individuels. Cependant, la diffusion Raman conventionnelle souffre d'un signal intrinsèquement faible, ce qui est particulièrement sévère pour les applications d'imagerie et lors de l'étude de nanosystèmes individuels. « Notre approche consiste à placer l'échantillon de nanotubes, dispersé sur un substrat, à l'intérieur d'une cavité microscopique, où les résonances optiques peuvent être exploitées pour améliorer le processus de diffusion Raman. À la fois, la cavité peut être balayée à travers l'échantillon et focalise la lumière à une taille de spot pas trop loin de la limite de diffraction, de telle sorte que des images haute résolution puissent être générées", explique le Dr David Hunger, l'un des scientifiques travaillant sur le projet. "La cavité amplifie à la fois le processus de diffusion Raman ainsi que l'absorption de l'échantillon. Cela permet de combiner la microscopie d'absorption ultrasensible avec l'imagerie Raman en une seule mesure."

Pour rendre l'effet d'amélioration de la cavité grand, en fin de compte, de petites cavités capables de stocker la lumière pour plusieurs milliers de circulations sont nécessaires - ce qui est un défi particulier lorsqu'en plus des capacités de numérisation à des fins d'imagerie sont souhaitées. Dans la configuration de la microcavité, développé par le Dr David Hunger et son équipe, un côté du résonateur est constitué d'un miroir plan qui sert en même temps de support pour l'échantillon à étudier. La contrepartie est un micro-miroir fortement incurvé sur la facette d'extrémité d'une fibre optique. La lumière laser est couplée dans le résonateur à travers cette fibre. Le miroir plan est déplacé point par point par rapport à la fibre afin d'amener pas à pas l'échantillon au foyer du mode cavité. À la fois, la distance entre les deux miroirs est ajustée de telle sorte que la condition de résonance pour la cavité corresponde à une résonance d'un processus de diffusion Raman. Cela nécessite une précision de positionnement de l'ordre de quelques dizaines de picomètres. "Pour obtenir un spectre Raman complet, nous ajustons pas à pas la séparation du miroir pour balayer une résonance de cavité sur la plage spectrale souhaitée et collecter le signal de diffusion Raman amélioré par la cavité, " explique Thomas Hümmer, le premier doctorant de l'expérience. "Comme les résonances de la cavité sont extrêmement étroites, cela peut conduire à une résolution spectrale bien au-delà des capacités des spectromètres Raman conventionnels."

À la fois, le signal Raman est fortement renforcé, en raison de ce qu'on appelle l'effet Purcell. Cet effet provient des fluctuations accrues du vide et de la grande durée de vie des photons à l'intérieur de la microcavité. Dans l'expérience, cela conduit à une amélioration de la lumière résonante jusqu'à un facteur 320. Lorsque l'on compare le signal net obtenu à partir d'une seule ligne Raman de la cavité au signal obtenu avec le meilleur microscope conventionnel possible, l'expérience de la cavité atteint une augmentation de plus de 6 fois. D'autres améliorations devraient permettre d'amplifier cette amélioration de plusieurs ordres de grandeur à l'avenir.

Le plein potentiel de la technique est ensuite démontré par l'imagerie hyperspectrale rehaussée de cavités. Dans une telle mesure, les spectres Raman améliorés par la cavité sont enregistrés à de nombreux endroits sur le miroir, et une image spatiale peut être construite, afficher par ex. la force ou la forme de ligne des lignes Raman. "Dans notre expérience, nous étudions une transition Raman particulière, qui est sensible au diamètre et aux propriétés électroniques du nanotube. De l'image hyperspectrale, nous pouvons déduire la taille d'un grand ensemble de tubes individuels et déterminer s'ils sont métalliques ou semi-conducteurs, " explique Thomas Hümmer. Une telle analyse peut fournir des informations cruciales sur un échantillon.

L'applicabilité de la méthode à une grande variété d'échantillons en fait un outil prometteur pour l'imagerie Raman à molécule unique. Par ailleurs, le schéma pourrait être étendu pour construire des lasers Raman avec une variété de nouveaux matériaux, ou il pourrait être utilisé pour obtenir un contrôle quantique sur les vibrations moléculaires.