Nanoparticules d’or : des colliers 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 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 peut servir à transmettre des informations. Cette propriété est par exemple utilisée dans la fibre optique et offre une alternative intéressante à la microélectronique1. L’utilisation de la lumière permet d’augmenter la vitesse de transmission et de réduire les pertes d’énergie qui se produisent par réchauffement lorsqu’un signal électrique est utilisé. Cependant il reste plusieurs défis à relever, notamment celui de la miniaturisation : avec la fibre optique il est en effet difficile de confiner la lumière dans une largeur inférieure au micromètre (soit 10-6 mètres).

Les électrons circulent librement dans les métaux et parfois se mettent à osciller collectivement à leur surface sous l’effet de la lumière, comme dans les métaux nobles tels l’or et l’argent. Les propriétés de ces oscillations collectives, appelées plasmons, offrent depuis une vingtaine d’années une voie prometteuse vers un confinement sub-longueur d’onde (c’est-à-dire inférieur au micromètre) de l’énergie lumineuse. En transmettant cette énergie portée par les photons 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 plasmonique2 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 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 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 très localisées, notamment en médecine, 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 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 en restant confinés suivant le diamètre des nanoparticules. Au sein 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 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 de capteur, pour le photovoltaïque par exemple, et en télécommunication.

Notes :
1 En microélectronique l’information est transmise via un signal électrique.
2 La science qui découle des propriétés collectives des électrons à la surface d’un métal.

Références :
Multimodal Plasmonics in Fused Colloidal Networks, A. Teulle, M. Bosman, C. Girard, K. L. Gurunatha, M. Li, S. Mann, E. Dujardin, Nature Materials, publié en ligne le 26 octobre 2014.
DOI: 10.1038/NMAT4114

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