Des chercheurs de l’Université Duke aux Etats-Unis ont conçu des molécules fluorescentes qui émettent des photons de lumière 1.000 fois plus rapidement que la normale – établissant ainsi un record de vitesse et un grand pas vers la réalisation de diodes électroluminescentes (LED) ultra-rapides.
Le Nobel de physique vient d’être décerné à 3 chercheurs pour leur méthode de fabrication d’une LED bleue. Bien que cette découverte a eu un impact énorme sur l’éclairage et l’affichage, la lenteur avec laquelle les LEDs peuvent être allumées et éteintes a limité leur utilisation en tant que source de lumière dans les télécommunications.
Dans une LED, il s’avère tout à fait possible de forcer les atomes à émettre en quelques millisecondes, environ 10 millions de photons. Les systèmes de télécommunications modernes, toutefois, fonctionnent près d’un millier de fois plus rapidement. Pour pouvoir exploiter les communications optiques basées sur la lumière avec des LEDs, les chercheurs se devaient de trouver des matériaux capables d’émettre des photons à cette vitesse.
Dans une nouvelle étude, les ingénieurs de Duke ont augmenté le taux d’émission de photons de molécules fluorescentes à des niveaux records en les prenant en sandwich entre des nanocubes métalliques et un film d’or.
"Une des applications que nous ciblons avec cette recherche est la LED ultra-rapide", a déclaré Maiken Mikkelsen, professeur adjoint de génie et de physique électrique et informatique à l’Université Duke. "Alors que les futurs appareils pourraient ne pas utiliser ce type d’approche, la compréhension de la physique sous-jacente devient cruciale."
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Le Pr. Mikkelsen spécialisé dans la plasmonique, étudie l’interaction entre les champs électromagnétiques et les électrons libres dans le métal. Dans cette expérience, l’équipe a fabriqué des nanocubes d’argent de 75 nanomètres et piégé la lumière entre eux, ce qui augmente considérablement l’intensité de la lumière.
Quand les molécules fluorescentes sont placés près d’un flux lumineux intense, les molécules émettent des photons à un rythme plus rapide grâce à un effet appelé effet Purcell. Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient obtenir une amélioration significative de la vitesse en plaçant des molécules fluorescentes dans un espace compris entre les nanocubes et un mince film d’or.
Pour atteindre un plus grand effet encore, l’équipe du Pr. Mikkelsen a du régler la fréquence de résonance pour correspondre à la couleur de la lumière à laquelle les molécules répondent. Ils ont donc utilisé des simulations informatiques pour déterminer la taille exacte de l’écart nécessaire entre les nanocubes et le film d’or afin d’optimiser la configuration.
Cet écart s’est avéré être seulement 20 atomes de large. Mais ce n’était pas un problème pour les chercheurs.
"Nous pouvons choisir les cubes avec la bonne taille et réaliser les écarts avec une précision nanométrique", a déclaré Gleb Axelrod. "Nous obtenons la taille du cube et l’écart parfaitement calibré à la molécule, lorsque l’on observe l’enregistrement augmenter d’un facteur 1000 la vitesse des photons fluorescents."
Comme l’expérience a utilisé de nombreuses molécules alignées au hasard, les chercheurs pensent qu’ils peuvent faire encore mieux. Ils ont l’intention de concevoir un système de molécules fluorescentes plaçant précisément chaque élément sous un seul nanocube. Selon le Pr. Axelrod, ils pourraient même atteindre des taux plus élevés de fluorescence grâce à des molécules debout sur la tranche aux coins du cube.
"Si nous pouvons placer précisément des molécules de ce type, le dispositif pourrait rendre de nombreuses applications plus rapides", a déclaré Axelrod. "Nous pourrions aussi concevoir des sources rapides de photons uniques qui pourraient être utilisés dans la cryptographie quantique. Cette technologie permettrait une communication sécurisée qui ne pourraient être piratée. au moins sans briser les lois de la physique."
