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Posté par Adrien le Lundi 27/10/2014 à 12:00
Des colliers de nanoparticules d'or pour guider la lumière jusqu'au nanomètre
Des nanoparticules cristallines d'or alignées puis fusionnées en longues chaines peuvent servir à confiner l'énergie lumineuse à l'échelle nanométrique tout en permettant sa propagation à grande distance. C'est ce que vient de démontrer une équipe pluridisciplinaire du Centre d'élaboration de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et d'études structurales (CEMES, CNRS), en collaboration avec des physiciens de Singapour et des chimistes de Bristol. Ces travaux sont publiés en ligne sur le site de la revue Nature Materials le 26 octobre.

La lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de...) peut servir à transmettre des informations. Cette propriété est par exemple utilisée dans la fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et sert dans les transmissions...) et offre une alternative intéressante à la microélectronique (1). L'utilisation de la lumière permet d'augmenter la vitesse (On distingue :) de transmission et de réduire les pertes d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) qui se produisent par réchauffement lorsqu'un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux...) électrique est utilisé. Cependant il reste plusieurs défis à relever, notamment celui de la miniaturisation: avec la fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) il est en effet difficile de confiner la lumière dans une largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la...) inférieure au micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) (soit 10^-6 mètres).


Image EELS montrant la distribution spatiale des électrons confinés le long d'une chaine de nanoparticules d'or.
© E. Dujardin (CEMES, CNRS)

Les électrons circulent librement dans les métaux et parfois se mettent à osciller collectivement à leur surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique,...) sous l'effet de la lumière, comme dans les métaux nobles tels l'or et l'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.). Les propriétés de ces oscillations collectives, appelées plasmons, offrent depuis une vingtaine d'années une voie prometteuse vers un confinement sub-longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde transporte...) (c'est-à-dire inférieur au micromètre) de l'énergie lumineuse. En transmettant cette énergie portée par les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de...) aux électrons en mouvement, il est possible de transporter de l'information dans des structures plus étroites que les fibres optiques. Pour atteindre des confinements encore plus importants, la plasmonique (2) s'intéresse désormais aux propriétés optiques de nanoparticules cristallines. La surface cristalline lisse évite de perturber les oscillations des électrons et limite les pertes d'énergie. Exploiter les propriétés de ces nanoparticules devrait donc permettre simultanément des confinements de l'ordre du nanomètre et le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation,...) de l'information sur de grandes distances.

Dans cette étude, les chercheurs ont démontré que lorsque des nanoparticules d'or de dix nanomètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le...) sont alignées sous forme de chaine, les plasmons qu'elles portent génèrent des oscillations particulières, propices à la propagation ultra-confinée. Cependant à chaque passage entre deux nanoparticules, il existe une perte d'énergie. Si cette caractéristique peut être exploitée pour certaines applications qui nécessitent des sources de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) très localisées, notamment en médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain...), elle ne favorise pas la propagation longue distance.

Les chercheurs ont donc délicatement fusionné les nano-perles, en focalisant un faisceau électronique à haute énergie, de façon à former un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un...) continu et cristallin. Ils ont alors observé que les pertes d'énergie sont réduites et que les plasmons sont libres d'osciller sur de très grandes distances tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en restant confinés suivant le diamètre des nanoparticules. Au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale...) de ce collier de seulement dix nanomètres de large, l'information peut voyager jusqu'à 4000 nanomètres.

Un autre défi relevé par cette étude a été de cartographier, avec une précision exceptionnelle, les oscillations des électrons observées à la surface de la chaine de nanoparticules. Les différents types de mouvement des plasmons ont été caractérisés par une technique de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de...) appelée spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) dont la très fine résolution spatiale et spectrale a permis aux chercheurs de proposer un nouveau modèle théorique du comportement des plasmons. Les simulations basées sur ce modèle reproduisent les expériences avec une fidélité sans précédent.

Ces travaux qui résultent d'une collaboration à long terme avec des équipes de Bristol et de Singapour pourraient mener à une miniaturisation extrême du guidage de la lumière et ouvrir la voie vers des applications en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) de capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la...), pour le photovoltaïque par exemple, et en télécommunication.

Notes:

(1) En microélectronique l'information est transmise via un signal électrique.
(2) La science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on...) qui découle des propriétés collectives des électrons à la surface d'un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les métaux sont un des...).


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Source: CNRS