Une équipe de chercheurs du CEA (CEA-Iramis : Institut rayonnement matière Saclay.) et de l'Université de Technologie de Troyes associée au CNRS (Institut Charles Delaunay.) a visualisé, au microscope, des plasmons à la surface de conducteurs mesurant 30 nanomètres. L'utilisation de ces plasmons, signaux à la limite de l'électronique et de l'optique, devient, à cette échelle, un enjeu important pour la miniaturisation recherchée des circuits électroniques.
C'est la première fois que des images d'une telle résolution sont obtenues pour ces phénomènes étudiés depuis une dizaine d'années. Cette observation fait l'objet d'une publication dans Nano Letters du 12 mars 2008.
Fig. 1 : a) Fil d'or de 30 nm de diamètre et 4 µm de long.
b) Observation PEEM du signal d'électrons émis montrant les interférences
entre la lumière incidente et le plasmon qui se propage le long du fil
En électronique, les efforts technologiques se poursuivent pour réaliser des circuits de plus en plus fins et permettant de traiter l'information à des fréquences de plus en plus élevées. Si les dispositifs électroniques deviennent plus petits et plus complexes (les micro-processeurs des ordinateurs), ils restent limités à des fréquences usuelles de l'ordre du gigahertz. Les fréquences optiques sont un million de fois plus élevées (10^15 Hz), mais les limites spatiales imposées par la longueur d'onde de la lumière (de l'ordre du micron) empêchent une miniaturisation plus poussée.
Pour réduire encore la longueur d’onde, et en quelque sorte comprimer la lumière, une solution consiste à convertir le signal lumineux en « plasmon ». Le plasmon est un phénomène ayant tous les caractères d’une onde lumineuse, sauf qu’il reste bloqué aux parois d’un métal conducteur. Lorsque le diamètre de l’objet métallique est réduit à 30 nm, le plasmon développe un mode dit « lent » (on parle de plasmon lent). Or ce mode lent a la propriété d’osciller à la fréquence de l’onde lumineuse tout en ayant une longueur d’onde très inférieure à celle de la lumière !
Les chercheurs s’y intéressent car c’est à cette même échelle approchant les 30 nm que se poseront bientôt les limites de miniaturisation en électronique.
Ces principes étaient connus, mais il restait à les observer concrètement. Lorsque le plasmon excité par la lumière se propage sur le conducteur, différents effets secondaires apparaissent, parmi lesquels l’émission d’électrons. Les chercheurs ont donc utilisé un microscope PEEM (Photo Emission Electron Microscopy) pour obtenir ces images.
La première figure (fig.1) montre l'émission issue d'un fil d'or. Les modulations d'intensité résultent des interférences entre le plasmon lent et l'onde lumineuse d'excitation.
Fig.2 : Visualisation par PEEM de l'excitation du mode de plasmon
d'un bâtonnet de 100 nm de long par de la lumière à 807 nm
L’image à très haute résolution (fig.2) montre un mode lent d'excitation plasmon d'un « bâtonnet » de 100 nm de long par de la lumière de longueur d'onde 807 nm. Ici on peut comprimer par 3 la longueur d’onde par rapport à la longueur d’onde de la lumière (entre 250 et 300 nm).
En convertissant l'information d'un signal optique vers un plasmon lent, on peut ainsi envisager, pour des structures voisines de 30 nm, de concilier les hautes fréquences optiques et les dimensions « classiques » de l’électronique silicium.
