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Posté par Redbran le Vendredi 18/05/2018 à 12:00
Couplage inattendu de plasmons à la surface d'une nanodague en argent

La spectroscopie de perte d'énergie électronique dans un microscope électronique révèle la possibilité d'hybrider deux modes propres plasmoniques d'une même nanoparticule. Il s'agit d'un effet physique qui ne peut être observé dans le cadre de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...) classique (hermitienne).

En physique, l'approche habituelle pour étudier le comportement d'un système décrit par une équation linéaire (Une équation est dite linéaire quand elle s'exprime à l'aide d'une application linéaire. Elle se présente sous la forme u(x)=b, où u est une application linéaire entre...) consiste à définir des modes propres. Ces modes constituent une base permettant de décrire toutes les solutions de l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à certaines des...). Par exemple, les vibrations d'une corde de guitare peuvent être vues comme une superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantité...) de modes propres: la vibration fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) et ses harmoniques, chacune vibrant différemment dans l'espace et produisant un son différent.

Il est donc tentant d'adapter ce concept à des systèmes, dits non hermitiens, pour lesquels les modes propres sont plus difficiles à définir. Ces systèmes couvrent un très large éventail de situations physiques, des ondes de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) proches des trous noirs jusqu'aux cavités lasers. La dissipation 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.) dans ces systèmes nécessite de définir des modes dits "quasi-normaux" (QNM) pour établir une base complète. Ils sont décrits par une base bi-orthogonale plutôt qu'orthogonale. Pour une corde de guitare, cela correspondrait à observer deux vibrations différentes pour chaque note. Or, la bi-orthogonalité a des conséquences intéressantes, comme l'existence de "points exceptionnels" où les énergies et les fonctions d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de...) de deux modes peuvent fusionner. Il s'agit d'un effet contre-intuitif ? dans le cas d'une corde de guitare, cela correspondrait par exemple à ce que le fondamental et la première harmonique (Dans plusieurs domaines, une harmonique est un élément constitutif d'un phénomène périodique ou vibratoire (par exemple en électricité : les « courants harmoniques », qui sont des perturbations du...) produisent le même son et vibre de la même façon ! Ils sont généralement associés à l'apparition d'effets physiques non triviaux qui n'ont été étudiés que très récemment, car la manipulation de QNM nécessite une compensation exacte de la dissipation d'énergie, ce qui complique les protocoles expérimentaux.

Dans ce travail, les chercheurs ont redéfini une approche totalement différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la...) où la non-hermiticité n'est pas liée à la dissipation d'énergie mais à des ruptures (Ruptures est le second album de la série de science-fiction Orbital constituée de diptyques, dessiné par Serge Pellé et écrit par Sylvain Runberg, sorti en juin 2007 par les...) de symétries spatiales, évitant ainsi d'avoir à compenser la dissipation. Dans ce but, les chercheurs ont introduit les plasmons de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) localisés (LSP) comme nouvelle plate-forme pour étudier la physique nonhermitienne.

Les LSP correspondent à la mise en mouvement d'électrons qui forment des ondes de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) électroniques à la surface de nano-objets métalliques. Leur énergie et leurs variations spatiales dépendent fortement de la taille et de la forme des objets correspondants. Les LSP ont de nombreuses applications, depuis la détection des molécules jusqu'aux thérapies anticancéreuses, la plupart d'entre elles étant liées au fait que les LSP peuvent concentrer l'énergie électromagnétique (Les forces électrostatiques et magnétiques peuvent faire déplacer des objets à distance, il semble donc évident qu'à tout phénomène...) dans des régions nanométriques appelées "points chauds". Les scientifiques ont démontré théoriquement et expérimentalement que la manifestation de la non-hermiticité est beaucoup plus simple à observer et à manipuler dans ces systèmes.

Pour cela, ils ont introduit le concept d'auto-hybridation. Il ne peut être observé dans les systèmes hermitiens habituels: imaginez une corde de guitare sur laquelle une vibration fondamentale et ses harmoniques se coupleraient, produisant deux notes de hauteurs légèrement différentes. C'est cependant ce que les chercheurs ont prédit et observé pour les modes de plasmons dans des nano-dagues d'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.). Ils ont utilisé la spectroscopie de perte d'énergie électronique dans un microscope électronique à transmission à balayage pour cartographier les variations spatiales et spectrales du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. ...) plasmonique. Comme l'indique la figure ci-dessous, l'énergie du mode fondamental ne croise jamais celle du mode harmonique. Les chercheurs ont observé au contraire un changement drastique de la symétrie des modes avant et après le point (Graphie) où ils auraient dû se croiser. Cet anti-croisement est l'indication (Une indication (du latin indicare : indiquer) est un conseil ou une recommandation, écrit ou oral.) d'une auto-hybridation, ou couplage, des deux modes.

Ces travaux constituent une démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de...) rare d'un effet physique piloté par une non-hermiticité n'impliquant pas la dissipation d'énergie. Puisque la difficulté d'avoir à traiter la compensation de la dissipation est levée, les objets nanométriques plasmoniques constituent un terrain de jeu beaucoup plus simple pour étudier expérimentalement la non-hermiticité. Enfin, l'un des principaux intérêts des plasmons sont leurs points chauds associés. L'auto-hybridation offre la possibilité de concevoir de nouveaux types de points chauds. Au-delà des physiciens, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) transdisciplinaire des plasmons de surface pourrait être concerné par ces travaux.


Gauche: Variation de l'énergie de deux modes de nano-dagues d'argent en fonction de la longueur du bras vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) L. Lorsque la longueur L augmente, deux des modes de la nano-dague présentent un comportement d'anti-croisement typique. Droite: L'anti-croisement est une forte indication de l'hybridation des deux modes, mise en évidence par le changement drastique de la symétrie des modes avant (L=100 nm) et au point de croisement (L=250 nm). © LPS (CNRS/UPSud)


Références publication:
Self-hybridization within non-Hermitian localized plasmonic systems
H. Lourenço-Martins, P. Das, L. H. G. Tizei, R. Weil & M. Kociak
Nature Physics (2018), doi:10.1038/s41567-017-0023-6
Lire l'article sur la base d'archives ouvertes ArXiv

Contact chercheur:
Mathieu Kociak, directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)

Informations complémentaires:
Laboratoire de physique des solides (LPS, CNRS/Univ. Paris-Sud/Univ. Paris-Saclay)

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Source: CNRS-INP