Le schéma montre la lumière laser interagissant avec un résonateur à espace plasmonique, un appareil miniature conçu au NIST pour mesurer avec une précision sans précédent les mouvements à l'échelle nanométrique des nanoparticules. Un faisceau laser incident (faisceau rose à gauche) frappe le résonateur, qui se compose de deux couches d'or séparées par un entrefer. La couche d'or supérieure est incrustée dans un ensemble de minuscules cantilevers (violets) - des dispositifs vibrants ressemblant à un plongeoir miniature. Quand un porte-à-faux bouge, il modifie la largeur de l'entrefer, lequel, à son tour, modifie l'intensité de la lumière laser réfléchie par le résonateur. La modulation de la lumière révèle le déplacement du minuscule porte-à-faux. Crédit :Centre NIST pour la science et la technologie à l'échelle nanométrique
Des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mis au point un nouvel appareil qui mesure le mouvement de très petites particules traversant des distances presque inimaginablement petites – plus courtes que le diamètre d'un atome d'hydrogène, ou moins d'un millionième de la largeur d'un cheveu humain. Non seulement l'appareil portable peut détecter le mouvement à l'échelle atomique de ses minuscules pièces avec une précision sans précédent, mais les chercheurs ont mis au point une méthode pour produire en masse l'outil de mesure très sensible.
Il est relativement facile de mesurer de petits mouvements de gros objets mais beaucoup plus difficile lorsque les pièces mobiles sont à l'échelle du nanomètre, ou des milliardièmes de mètre. La capacité de mesurer avec précision de minuscules déplacements de corps microscopiques a des applications dans la détection de traces d'agents biologiques ou chimiques dangereux, perfectionner le mouvement des robots miniatures, déployer avec précision les airbags et détecter des ondes sonores extrêmement faibles traversant des films minces.
Les physiciens du NIST Brian Roxworthy et Vladimir Aksyuk décrivent leur travail le 6 décembre 2016, Communication Nature .
Les chercheurs ont mesuré le mouvement à l'échelle subatomique dans une nanoparticule d'or. Ils l'ont fait en créant un petit entrefer, environ 15 nanomètres de largeur, entre la nanoparticule d'or et une feuille d'or. Cet espace est si petit que la lumière laser ne peut pas le pénétrer.
Cependant, les plasmons de surface énergisés par la lumière - le collectif, mouvement ondulatoire de groupes d'électrons confinés à voyager le long de la frontière entre la surface de l'or et l'air.
Ces micrographies optiques offrent une vue de haut en bas de plusieurs résonateurs à espace plasmonique et un zoom avant sur un seul appareil. En bas à droite montre le schéma d'un seul appareil. Crédit :Centre NIST pour la science et la technologie à l'échelle nanométrique
Les chercheurs ont exploité la longueur d'onde de la lumière, la distance entre les pics successifs de l'onde lumineuse. Avec le bon choix de longueur d'onde, ou équivalent, sa fréquence, la lumière laser fait osciller des plasmons d'une fréquence particulière, ou résonner, le long de la brèche, comme les réverbérations d'une corde de guitare pincée. Pendant ce temps, au fur et à mesure que la nanoparticule se déplace, il modifie la largeur de l'espace et, comme accorder une corde de guitare, modifie la fréquence à laquelle les plasmons résonnent.
L'interaction entre la lumière laser et les plasmons est essentielle pour détecter les déplacements minuscules des particules nanométriques, note Aksyuk. La lumière ne peut pas facilement détecter l'emplacement ou le mouvement d'un objet plus petit que la longueur d'onde du laser, mais la conversion de la lumière en plasmons surmonte cette limitation. Parce que les plasmons sont confinés dans le minuscule espace, ils sont plus sensibles que la lumière pour détecter le mouvement de petits objets comme la nanoparticule d'or.
La quantité de lumière laser réfléchie par le dispositif à plasmon révèle la largeur de l'espace et le mouvement de la nanoparticule. Supposer, par exemple, que l'écart change - en raison du mouvement de la nanoparticule - de telle sorte que la fréquence naturelle, ou résonance, des plasmons correspond plus étroitement à la fréquence de la lumière laser. Dans ce cas, les plasmons sont capables d'absorber plus d'énergie de la lumière laser, et moins de lumière est réfléchie.
Pour utiliser cette technique de détection de mouvement dans un appareil pratique, Aksyuk et Roxworthy ont intégré la nanoparticule d'or dans une structure mécanique à l'échelle microscopique - un porte-à-faux vibrant, une sorte de plongeoir miniature - qui faisait quelques micromètres de long, en nitrure de silicium. Même quand ils ne sont pas mis en mouvement, de tels appareils ne restent jamais parfaitement immobiles, mais vibre à haute fréquence, bousculés par le mouvement aléatoire de leurs molécules à température ambiante. Même si l'amplitude de la vibration était infime - se déplaçant à des distances subatomiques - elle était facile à détecter avec la nouvelle technique plasmonique. Similaire, bien que généralement plus grand, les structures mécaniques sont couramment utilisées à la fois pour les mesures scientifiques et les capteurs pratiques ; par exemple, détection de mouvement et d'orientation dans les voitures et les smartphones. Les scientifiques du NIST espèrent que leur nouvelle façon de mesurer le mouvement à l'échelle nanométrique contribuera à miniaturiser davantage et à améliorer les performances de nombreux systèmes micromécaniques de ce type.
« Cette architecture ouvre la voie aux avancées de la détection nanomécanique, " écrivent les chercheurs. " Nous pouvons détecter de minuscules mouvements plus localement et avec plus de précision avec ces résonateurs plasmoniques qu'avec toute autre façon de le faire, " dit Aksyuk.
L'approche de fabrication de l'équipe permet la production d'environ 25, 000 des appareils sur une puce informatique, avec chaque appareil adapté pour détecter le mouvement selon les besoins du fabricant.
