Pendant des années, les scientifiques ont longtemps lutté avec le contrôle et la manipulation de la lumière, une ambition scientifique de longue date avec des implications majeures pour le développement de la technologie. Avec le développement de la nanophotonique, les scientifiques réalisent des gains plus rapidement que jamais en exploitant des structures aux dimensions comparables à la longueur d'onde de la lumière.

Les scientifiques de l'Université du Nouveau-Mexique qui étudient le domaine de la nanophotonique développent de nouvelles perspectives jamais vues auparavant grâce à leurs recherches. À son tour, la compréhension de ces concepts théoriques permet aux physiciens de créer des nanostructures plus efficaces.

La recherche, déclare le professeur adjoint Alejandro Manjavacas, au Département de physique et d'astronomie de l'Université du Nouveau-Mexique dans un article intitulé "Hybridization of Lattice Resonances, " étudie comment des réseaux périodiques de nanosphères ou d'atomes interagissent avec la lumière. Ces systèmes sont fabriqués en répétant périodiquement une cellule unitaire, un peu comme un échiquier est fait en répétant deux carrés de couleurs différentes dans un motif. Précédemment, la majorité des recherches n'ont porté que sur des structures à mailles unitaires constituées d'un seul élément, comme si chaque case de l'échiquier était d'une seule couleur. Leurs recherches vont au-delà, permettant un nombre quelconque de couleurs tant qu'elles sont disposées dans un motif répétitif.

« Tout en contribuant à la compréhension fondamentale d'une pléthore de nouveaux phénomènes physiques, cet effort de recherche théorique aidera à comprendre comment la lumière interagit avec les objets à l'échelle nanométrique et aidera à jeter les bases du développement de nouveaux mécanismes pour manipuler la lumière à l'échelle nanométrique, qui est la clé pour réaliser la prochaine génération d'applications nanophotoniques, " Manjavacas dit dans l'article publié récemment dans ACS Nano , une publication de premier plan dans le domaine de la nanophotonique.

L'objectif primordial de la recherche était d'ouvrir et d'approfondir de nouvelles voies en plasmonique, un domaine de recherche qui se concentre sur la compréhension de l'interaction entre la lumière et les nanostructures métalliques, dont l'objectif est de développer de nouvelles applications en nanophotonique. Dans le cadre de ce travail, les scientifiques ont développé un modèle puissant pour comprendre comment des réseaux ordonnés de nanostructures interagissent avec la lumière. Ce modèle peut être utilisé pour prédire la réponse optique d'ensembles de nanoparticules avec des motifs très compliqués, qui peuvent être exploitées pour concevoir des propriétés optiques utiles pour de nombreuses applications :

"Par exemple, ces systèmes peuvent constituer une plate-forme polyvalente pour développer des biocapteurs compacts capables de surveiller, en temps réel, les niveaux de différentes substances pertinentes pour les soins de santé, " dit Manjavacas. " Plus loin, ils peuvent également être utilisés pour améliorer les performances des cellules solaires et pour concevoir des photodétecteurs plus efficaces."

Les détails

Dans le cadre de la recherche, Manjavacas et son équipe composée par Sebastian Baur, un étudiant diplômé invité d'Allemagne, et Stephen Sanders, un étudiant diplômé en Physique et Astronomie, ont étudié les propriétés optiques de réseaux périodiques de nanoparticules plasmoniques avec des cellules unitaires multiparticulaires. Spécifiquement, ils ont cherché à comprendre comment la géométrie d'arrangements complexes de nanostructures plasmoniques peut être exploitée pour contrôler leurs réponses optiques.

Ils ont étudié des réseaux composés de cellules unitaires à deux particules, dans lequel l'interaction entre les différentes particules peut être annulée ou maximisée en contrôlant leur position relative au sein de la maille élémentaire. Ils ont également trouvé des réseaux dont la réponse peut être soit invariante à la polarisation de la lumière incidente, soit fortement dépendante de celle-ci. Ces deux exemples montrent comment leurs géométries complexes peuvent être utilisées pour exercer un contrôle sur la réponse des réseaux.

Manjavacas et son équipe ont également exploré des systèmes avec des cellules unitaires à trois et quatre particules, comme un échiquier avec trois ou quatre sortes de carrés de couleurs différentes, et ont montré qu'ils peuvent être conçus pour supporter des résonances avec des modèles de réponse complexes dans lesquels différents groupes de particules dans la cellule unitaire peuvent être excités sélectivement.

"Les résultats de ce travail servent à faire progresser notre compréhension des réseaux périodiques de nanostructures et fournissent une méthodologie pour concevoir des structures périodiques avec des propriétés d'ingénierie pour des applications en nanophotonique, " dit-il. " En particulier, nous montrons que, en contrôlant la position relative des particules à l'intérieur de la maille élémentaire, il est possible de manipuler complètement la réponse optique du système."