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Posté par Redbran le Jeudi 13/09/2018 à 12:00
Exploiter la composante magnétique de la lumière grâce aux nanotechnologies
Des chercheurs ont élaboré une nanostructure capable d'accroître le champ magnétique d'une onde lumineuse, ouvrant la possibilité d'observer l'interaction entre cette composante magnétique de la lumière, et la matière.


Figure 1. (a) schéma et (b) image au microscope électronique à balayage d'une nano antenne photonique en silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) possédant une résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la...) magnétique et couplée à une nanoparticule luminescente (particule violette) possédant des émetteurs dipolaires électriques et magnétiques. (c) et (d), distributions spatiales de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...) quantique magnétique et électrique à proximité de la nano antenne photonique, caractérisées par les densités d'états locales (LDOS) magnétique et électrique.

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 380nm (violet) à 780nm...) est constituée d'une partie électrique (un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique) et d'une partie magnétique (un champ magnétique). Jusqu'à présent, les scientifiques ont orienté leur 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 métonymique, la recherche scientifique désigne également...) uniquement sur l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de...) entre la partie électrique de la lumière et la 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...). Cela a donné lieu à de nombreuses applications dans l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La...) biologique, la cryptographie (La cryptographie est une des disciplines de la cryptologie s'attachant à protéger des messages (assurant confidentialité, authenticité et...), le photo voltaïque, mais aussi les écrans, les sources de lumière...

Accéder à l'autre moitié des interactions avec la partie magnétique de la lumière et la matière permettrait de développer des applications jusqu'ici hors de portée. C'est un véritable défi car ces interactions sont très difficiles à observer en raison du très faible couplage entre la partie magnétique de la lumière et la matière. Les champs électriques et magnétiques portent pourtant la même quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) 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.). Mais il est communément accepté que le couplage entre le champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules chargées électriquement.) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) et la matière est d'au moins quatre ordres de grandeur plus élevé que l'interaction avec le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité...). En collaboration avec des équipes françaises, espagnoles et américaines, des physiciens de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) des nanosciences de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de la Seine...) (INSP) ont créé des objets nanométriques, appelés nano-antennes, afin d'accroître le champ magnétique de la lumière et forcer ainsi ses interactions avec la matière.

En jouant avec la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de...) (environ 150 nanomètres) et la forme (cylindrique) de ces nanostructures (figure 1a et 1b), les chercheurs ont démontré expérimentalement et théoriquement que ces nano-antennes permettaient d'augmenter la partie magnétique de la lumière grâce à un phénomène de résonance optique. En particulier, ils ont montré qu'en plaçant la nanostructure à proximité d'une nanosource de lumière, ils pouvaient effectivement augmenter son émission magnétique, les transitions dipolaires magnétiques se trouvant favorisées par rapport aux transitions dipolaires électriques (figure 1a).

Par ailleurs, en contrôlant la position de la nano-antenne photonique par rapport à cet émetteur, grâce à l'utilisation d'un microscope champ proche optique, les chercheurs ont pu observer les distributions de densités d'états locales magnétiques et électriques à proximité. Cela révèle la façon dont elle modifie l'environnement électrique et magnétique autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) de la nanosource, (figure 1c et d), et donc la manière dont cette dernière peut effectivement émettre ses 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...), selon un "canal électrique" ou "magnétique".

La manipulation et l'augmentation des interactions entre la lumière magnétique et la matière constituent une étape charnière en nanophotonique et en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien,...) de manière générale. En effet, elles ouvrent de nouvelles possibilités dans des thématiques de recherches aussi variées que l'opto-électronique, l'étude de molécules chirales (à la base de nombreux processus biologiques), l'optique non-linéaire, la spintronique, les métamatériaux ou les processus photochimiques.

Référence publication:
Enhancing magnetic light emission with all-dielectric optical nanoantennas
M. Sanz-Paz, C. Ernandes, J. Uriel Esparza, G. W. Burr, N. F. van Hulst, A. Maitre, L. Aigouy, T. Gacoin, N. Bonod, M. F. Garcia-Parajo , S. Bidault et M. Mivelle
Nano Letters (2018), doi:10.1021/acs.nanolett.8b00548
Retrouvez l'article sur les bases d'archives ouvertes HAL

Contact chercheur:
- Mathieu Mivelle, chercheur CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...)

Informations complémentaires:
- Institut des nanosciences de Paris (INSP, CNRS/Sorbonne Université)
- Institut Langevin (CNRS/ESPCI Paris/Univ. Paris Diderot/Inserm/Sorbonne Université)
- Laboratoire de physique et d'étude des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) (LPEM, CNRS/ESPCI Paris/Sorbonne Université)
- Laboratoire de physique de la matière condensée (LPMC, CNRS/Ecole polytechnique)
- Institut Fresnel (CNRS /École Centrale Marseille/Université Aix-Marseille)
- Institut de Ciències Fotòniques - Barcelone (Barcelone (Barcelona en catalan et en castillan) est une commune de Catalogne - Espagne, située dans la province de Barcelone. Elle est la capitale historique, administrative et économique de la...) (ICFO)
- IBM (International Business Machines Corporation (IBM) est une société multinationale américaine présente dans les domaines du matériel informatique, du logiciel et des services informatiques.) Almaden Research Center

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Source: CNRS INP
 
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