La miniaturisation a permis la technologie comme les smartphones, montres de santé, sondes médicales et nano-satellites, tout cela était impensable il y a quelques décennies. Imaginez qu'en 60 ans, le transistor a rétréci de la taille de votre paume à 14 nanomètres de dimension, 1000 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu.

La miniaturisation a poussé la technologie vers une nouvelle ère de circuits optiques. Mais en parallèle, elle a également déclenché de nouveaux défis et obstacles, par exemple, contrôler et guider la lumière à l'échelle nanométrique. Les chercheurs recherchent des techniques pour confiner la lumière dans des espaces extrêmement réduits, des millions de fois plus petits que ceux actuels. Des études avaient précédemment montré que les métaux peuvent comprimer la lumière en dessous de l'échelle de longueur d'onde (limite de diffraction).

Dans cet aspect, graphène, un matériau composé d'une seule couche d'atomes de carbone, qui présente des propriétés optiques et électriques exceptionnelles, est capable de guider la lumière sous forme de plasmons, qui sont des oscillations d'électrons qui interagissent fortement avec la lumière. Ces plasmons de graphène ont une capacité naturelle à confiner la lumière dans de très petits espaces. Cependant, jusqu'à maintenant, il n'était possible de confiner ces plasmons que dans une seule direction, tandis que la capacité réelle de la lumière à interagir avec de petites particules comme les atomes et les molécules réside dans le volume dans lequel elle peut être comprimée. Ce type de confinement dans les trois dimensions est communément considéré comme une cavité optique.

Dans une étude récente publiée dans Science , Les chercheurs de l'ICFO Itai Epstein, David Alcaraz, Varum-Varma Pusapati, Avinash Kumar, Tymofiy Khodkow, dirigé par ICREA Prof. à ICFO Frank Koppens, en collaboration avec des chercheurs du MIT, Université de Duke, Université Paris Saclay, et Universidad do Minho, ont construit un nouveau type de cavité pour les plasmons de graphène en intégrant des cubes métalliques de tailles nanométriques sur une feuille de graphène. Leur approche leur a permis de réaliser la plus petite cavité optique jamais construite pour la lumière infrarouge, sur la base de ces plasmons.

Dans leur expérience, ils ont utilisé des nanocubes d'argent de 50 nanomètres, qui ont été saupoudrés au hasard sur la feuille de graphène sans motif ni orientation spécifique. Cela a permis à chaque nanocube, avec le graphène, pour agir comme une seule cavité. Ensuite, ils ont envoyé de la lumière infrarouge à travers l'appareil et ont observé comment les plasmons se sont propagés dans l'espace entre le nanocube métallique et le graphène, étant compressé uniquement à ce très petit volume.

Itai Epstein, premier auteur de l'étude, dit, "Le principal obstacle que nous avons rencontré dans cette expérience résidait dans le fait que la longueur d'onde de la lumière dans le domaine infrarouge est très grande et les cubes sont très petits, environ 200 fois plus petit, il est donc extrêmement difficile de les faire interagir les uns avec les autres."

Afin de surmonter cela, ils ont utilisé un phénomène spécial :lorsque les plasmons de graphène interagissaient avec les nanocubes, ils étaient capables de générer une résonance magnétique. Epstein dit, "Une propriété unique de la résonance magnétique est qu'elle peut agir comme un type d'antenne qui comble la différence entre les petites dimensions du nanocube et la grande échelle de la lumière."

Ainsi, la résonance générée maintenait les plasmons se déplaçant entre le cube et le graphène dans un très petit volume, qui est 10 milliards de fois plus petit que le volume de lumière infrarouge ordinaire, quelque chose de jamais réalisé auparavant en confinement optique. Par ailleurs, ils ont pu voir que la seule cavité du cube de graphène, lors de l'interaction avec la lumière, a agi comme un nouveau type de nano-antenne capable de diffuser très efficacement la lumière infrarouge.

Les résultats de l'étude sont extrêmement prometteurs pour le domaine de la détection moléculaire et biologique, important pour la médecine, biotechnologie, l'inspection des aliments et même la sécurité, puisque cette approche est capable d'intensifier considérablement le champ optique et donc de détecter des matériaux moléculaires, qui répondent généralement à la lumière infrarouge.

Le professeur Koppens dit, "Cette réalisation est d'une grande importance car elle nous permet d'ajuster le volume du mode plasmon pour piloter leur interaction avec de petites particules, comme des molécules ou des atomes, et être capable de les détecter et de les étudier. Nous savons que les gammes infrarouge et térahertz du spectre optique fournissent des informations précieuses sur les résonances vibrationnelles des molécules, ouvrant la possibilité d'interagir et de détecter des matériaux moléculaires ainsi que de l'utiliser comme une technologie de détection prometteuse."