Nouveaux Métamatériaux Quantiques Basés sur des Nanoparticules Métalliques – Q-MetaMat

Du fait de leurs petites tailles, les nanoparticule (NPs) métalliques présentent des effets quantiques spectaculaires. La plupart de ces effets proviennent du confinement des états propres électroniques, ce confinement étant dû au relativement grand rapport surface-sur-volume de particules de tailles nanométriques. La preuve la plus frappante de la quantification des états électroniques dans les NPs métalliques est la structure électronique en couche, observé pour la première fois par Knight et collaborateurs en 1984. Les effets de taille résultants apparaissent dans la plupart des propriétés physiques des amas métalliques, par exemple dans leur spectre d’abondance, dans la polarisabilité dipolaire statique, le potentiel d'ionisation, et les propriétés optiques.
Une fois que les NPs métalliques sont mises ensembles et interagissent entre elles et/ou avec le milieu environnant, elles forment des métamatériaux avec des propriétés intrigantes qui sont différentes de celles des NPs individuelles et isolées. Ces métamatériaux à base de NPs font l'objet d'actives recherches expérimentales à l'IPCMS et ailleurs, et ce projet de recherche vise à apporter un soutien théorique à ces expériences.
Les métamatériaux à base de NPs présentent un large éventail de propriétés particulières qui peuvent être très différentes de celles des briques élémentaires. Le présent projet mettra l'accent sur deux de ces propriétés: les propriétés magnétiques et optiques. Plus précisément, un aspect qui a attiré une attention considérable au cours de la dernière décennie est le comportement magnétique inhabituel d'ensemble de NPs d'or. En effet, tandis que l'or est diamagnétique dans le massif, plusieurs expériences ont montré que les ensembles de NPs d'or recouvertes avec des ligands organiques peuvent présenter un comportement ferromagnétique de l'aimantation. D'autres échantillons montrent un comportement de type paramagnétique, et quelques autres un diamagnétisme qui est généralement plus fort que dans le massif. Ces différentes propriétés magnétiques qui varient d'un échantillon à l'autre, ainsi que les mécanismes sous-jacents à l'origine de ces caractéristiques sont une source d’intenses débats dans la communauté. Une interprétation des propriétés magnétiques inhabituelles d'ensembles de NPs d'or qui a été récemment proposée par les expérimentateurs de l'IPCMS est qu'elles pourraient être de caractère orbitale, indépendantes des molécules entourant les NPs. Dans ce projet, nous visons à étudier le magnétisme orbital des assemblées de NPs et de déterminer si ces comportements magnétiques intrigants peuvent être pris en compte par ce mécanisme.
D'autres aspects fascinants des métamatériaux à base de NPs résident dans leurs propriétés optiques. Alors que le domaine de la plasmonique se concentre principalement sur des structures simples, la création de réseaux ordonnés de NPs constitue un pont vers le domaine des métamatériaux. Il en résulte des métamatériaux plasmoniques qui présentent des propriétés uniques au-delà de l'optique traditionnelle. Récemment, nous avons démontré théoriquement que les plasmons collectifs dans un réseau plasmonique en nid d'abeille se comportent comme des excitations bosoniques de type Dirac sans masse. Ces excitations doivent donc présenter des propriétés similaires aux électrons dans le graphène, comme une phase de Berry non triviale et l'absence de rétrodiffusion due aux impuretés. L'objectif du présent projet est d’exploiter les propriétés inhabituelles des plasmons collectifs dans des réseaux plasmoniques en nid d'abeille, et d’en tirer des connaissances approfondies afin de proposer des métamatériaux avec des propriétés nouvelles.
Ce projet de recherche, coordonné par un jeune physicien théoricien récemment embauché à l'IPCMS, portera essentiellement sur la modélisation et le calcul de systèmes spécifiques, mais il contient également un effort expérimental qui sera élaboré en coordination avec les travaux théoriques.