Un appareil miniature de type laser pour les plasmons de surface

Lorsque la lumière est enfermée entre deux miroirs semi-réfléchissants et amplifiée par un matériau qu'ils contiennent, le faisceau lumineux qui en résulte peut être extrêmement lumineux et monochrome. C'est le principe de fonctionnement du laser, un outil utilisé dans tous les domaines de la vie moderne, du lecteur DVD à la salle d'opération.

Des chercheurs de l'ETH Zurich, dirigés par David Norris, professeur au Laboratoire d'ingénierie des matériaux optiques, et Dimos Poulikakos, professeur au Laboratoire de thermodynamique des technologies émergentes, ont mis au point un appareil miniature qui applique le même principe aux plasmons dits de surface. Les ondes électromagnétiques produites par un tel laser à plasmons de surface, ou "spaser", peuvent être beaucoup plus concentrées que la lumière. Cela les rend intéressants aussi bien pour la recherche fondamentale que pour des applications techniques, comme les capteurs.

Un minuscule résonateur pour les plasmons de surface

Contrairement aux ondes lumineuses normales qui se propagent librement dans un matériau transparent, les plasmons de surface sont constitués d'ondes électromagnétiques étroitement liées à des modulations ondulatoires dans la distribution de densité des électrons dans une surface métallique. Les effets optiques des plasmons de surface peuvent par exemple être admirés dans les vitraux des cathédrales médiévales. Les plasmons générés par la lumière incidente sur les nanoparticules métalliques donnent aux vitraux leurs couleurs particulières et intenses.

L'équipe de l'ETH a maintenant créé l'équivalent d'un résonateur laser pour les plasmons de surface en fabriquant des surfaces d'argent extrêmement lisses sur lesquelles deux blocs d'argent légèrement incurvés - de quelques micromètres de long et d'un demi-micromètre de haut seulement - ont été positionnés. Ces micro-blocs remplissaient la même fonction que les miroirs dans un laser. Entre les blocs, les plasmons de surface peuvent faire de nombreux allers-retours. L'amplification nécessaire à l'obtention d'un faisceau laser provient finalement de points quantiques placés dans la cavité. Les points quantiques sont de minuscules particules semi-conductrices qui se comportent de manière similaire aux atomes individuels (on les appelle parfois "atomes artificiels") et qui peuvent être fabriquées de manière à amplifier les ondes électromagnétiques d'une fréquence souhaitée.

Les chercheurs ont placé les points quantiques dans la cavité du spaser en les dissolvant dans un liquide, puis en les imprimant sur la surface d'argent à travers une minuscule buse avec une précision d'un nanomètre. Cette technique avait été mise au point dans le laboratoire du professeur Poulikakos. Une fois que le résonateur et les points quantiques étaient prêts, des plasmons de surface pouvaient être injectés dans le spaser en exposant les points quantiques à un faisceau laser.

Renforcement supplémentaire possible

"Dans notre travail, nous avons essayé de rassembler les éléments de base d'un spaser dans un seul petit appareil", explique Jian Cui, post-doctorant dans le groupe de recherche de Norris et auteur de l'étude récemment publiée dans la revue Science Advances. En plus de la cavité du spaser et du matériau amplificateur, les scientifiques ont intégré un autre amplificateur qui, à l'aide de points quantiques, augmente encore la luminosité du faisceau de plasmons de surface qui sort de la cavité.

L'amplificateur est triangulaire, de sorte que les plasmons sont non seulement amplifiés, mais aussi concentrés sur une pointe de la taille d'un nanomètre. Les ondes électromagnétiques y sont concentrées dans un volume beaucoup plus petit que la plus petite dimension sur laquelle la lumière normale pourrait être concentrée. A l'avenir, cette propriété pourrait par exemple être utilisée pour des méthodes de détection ultrasensibles de biomolécules.

Vers des circuits intégrés avec des lasers

Maintenant qu'ils ont démontré que leur spaser miniature fonctionne, les chercheurs de l'ETH travaillent déjà sur la prochaine étape logique. "Nos méthodes de fabrication étant très reproductibles et polyvalentes, nous pouvons maintenant envisager de construire des circuits intégrés avec plusieurs éléments : Spasers, amplificateurs, régions de détection, etc.", explique le professeur Norris.

La nouvelle approche présente plusieurs avantages par rapport aux tentatives précédentes de réaliser des lasers. Ces technologies antérieures utilisaient une particule métallique comme résonateur, mais le faisceau du spaser ne pouvait pas en sortir. Le procédé développé à l'ETH utilise une couche métallique plate avec des miroirs intégrés, ce qui donne aux chercheurs une plus grande liberté quant à la taille et à la géométrie du résonateur. En même temps, il leur permet d'étudier directement les plasmons de surface.