Des nanosources de lumière commandées par la polarisation

Publié par Adrien le 21/09/2020 à 09:00
Source: CNRS INSIS
Grâce à une technique unique de photopolymérisation, un consortium international mené par des chercheurs du L2n a réalisé des nanosources optiques sensibles à la polarisation de la lumière excitatrice. Une voie nouvelle pour le développement de la nanophotonique, publiée dans la revue Nature Communications.

Pour réaliser des sources de 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...) intégrables dans des dispositifs nanophotoniques, de nombreuses équipes de chercheurs travaillent sur des nanosources hybrides plasmoniques, basés sur le couplage et les transferts 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.) entre des nanoparticules métalliques et des émetteurs quantiques (quantum dots). Mais un défi restait à relever: comment rendre ces sources sensibles à la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation...) de la lumière incidente, de manière à pouvoir contrôler à distance l'émission de ces nanosources hybrides ?


Illustration du recouvrement spatial entre le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) proche plasmonique et le milieu actif.
- Image du centre: représentation de la nanosource hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces (croisement interspécifique) ou genres (croisement intergénérique)...) anisotrope (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes caractéristiques selon la direction.) (image réalisée à partir d'une image 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 rendre visible...) électronique à balayage). L'or est représenté en gris foncé. Le milieu actif en polymère (Un polymère (étymologie : du grec pollus, plusieurs, et meros, partie) est un système formé par un ensemble de macromolécules de...) contenant des points quantiques émetteurs de lumière est représenté en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.).
- Image de gauche: nanosystème hybride éclairé avec une polarisation perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à plomb) et justifie la généralisation de la...) au milieu actif. La nanosource est désactivée.
- Image de droite: nanosystème hybride éclairé avec une polarisation parallèle au milieu actif. La nanosource est activée.
© Dr Tao XU

Jusqu'à présent, c'était impossible, car l'on ne parvenait pas à maîtriser la distribution spatiale des quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la...) dots dans le milieu contenant les nanoparticules métalliques. Or, pour que le dispositif soit sensible à la polarisation de la lumière excitatrice, il faut qu'il soit anisotrope à l'échelle nanométrique. Une équipe du laboratoire Lumière, nanomatériaux, nanotechnologies (L2n, CNRS/Université de Technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de Troyes), avec un consortium international de laboratoires, a mis au point (Graphie) un procédé unique de photopolymérisation qui permet de contrôler la distribution spatiale à cette échelle.

Les chercheurs ont créé une formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits homogènes, stables et possédant des propriétés spécifiques, en...) photochimique contenant des émetteurs quantiques (CdSe/CdS/Zn). Par ailleurs, ils ont fabriqué des nanoparticules d'or qui, lorsqu'elles sont éclairées par une lumière incidente, engendrent des sources lumineuses (plasmons de surface) nanométriques. En déposant une goutte de la formulation photochimique sur ces nanoparticules, puis en l'éclairant, il est ainsi possible de déclencher la polymérisation à des endroits contrôlés: la réaction de polymérisation est amorcée localement par le champ plasmonique des nanoparticules métalliques, permettant de piéger avec une précision nanométrique les émetteurs sur des sites stratégiques des particules, de façon anisotrope.

En réalisant plusieurs nano-émetteurs par ce procédé, les chercheurs ont montré que la photoluminescence obtenue dépendait fortement de la polarisation de la lumière incidente. Plusieurs régimes d'émission de lumière peuvent ainsi être commandés en modifiant la polarisation incidente.

En réduisant la concentration de quantum dots dans la formulation photochimique, les chercheurs sont parvenus à en piéger un seul au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la...) d'une nanoparticule d'or, faisant ainsi la démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment...) du premier commutateur tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) à photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma) est la particule élémentaire médiatrice de l’interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque...) unique commandé par la direction de la lumière incidente, ce qui répond à un fort enjeu pour le développement de la nanophotonique.

Les chercheurs ont travaillé avec des nanoparticules d'or de forme cubique, mais aussi avec des nano disques. Ils explorent maintenant diverses formes de nanoparticules (bâtonnets, triangles...), et différents types de nanoémetteurs. L'objectif à terme est de disposer de nanosources de lumière ajustables en fonction des applications visées.

Références:
Hybrid plasmonic nano-emitters with controlled single quantum emitter positioning on the local excitation field
D. Ge, S. Marguet, A. Issa, S. Jradi, T. Hoa Nguyen, M. Nahra, J. Béal, R. Deturche, H. Chen, S. Blaize, J. Plain, C. Fiorini, L. Douillard, O. Soppera, X. Quyen Dinh, C. Dang, X. Yang, T. Xu, B. Wei, X. Wei Sun (Sun Microsystems (NASDAQ : SUNW) est un constructeur d'ordinateurs et un éditeur de logiciels américain.), C. Couteau (Un couteau est un outil tranchant comportant une lame et un manche.) & R. Bachelot.
Nature Communications (2020) 11:3414.
https://doi.org/10.1038/s41467-020-17248-8
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