Une nanosource de plasmons électrique et intégrée – INTELPLAN

La plasmonique, ou l’utilisation de plasmons de surface polaritons au lieu des électrons ou des photons dans des circuits miniaturisés, combine les avantages de la photonique (haute fréquence et grande bande passante) avec ceux de l’électronique (miniaturisation et intégration). Pour que les circuits plasmoniques deviennent un jour une réalité, une nanosource intégrée et électrique de plasmons de surface est nécessaire. C’est la réalisation d’une telle nanosource qui est proposée dans ce projet.
La nanosource proposée consiste en une jonction tunnel métal-isolant-métal. De telles structures sont connues depuis longtemps comme sources de radiation, mais elles ont été négligées à cause de leur faible efficacité. Le premier objectif de ce projet est donc d’augmenter cette efficacité de plus de deux ordres de grandeurs en utilisant des nano-antennes plasmoniques spécialement conçues pour cette application.
L’émission de radiation des jonctions tunnel est généralement attribuée aux fluctuations du courant tunnel. Cependant, cette interprétation reste à confirmer expérimentalement de façon univoque. Pour cela, des mesures corrélées de l’émission des plasmons et des fluctuations de courant sont nécessaires. Ces mesures, proposées dans ce projet, nous permettront de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux des nanosources de plasmons à jonction tunnel. Ceci constitue le deuxième principal objectif de ce projet.
Afin de relever ces défis, les étapes suivantes seront abordées. D’abord, des nano-antennes agissant sur la réduction des pertes dans le métal seront conçues, par ex. un nanocylindre sur un film mince métallique. Pour évaluer l’efficacité de cette nano-antenne, une jonction tunnel sera formée entre le haut de l’antenne et la pointe d’un microscope à effet tunnel. L’intensité de l’émission des plasmons de surface sera mesurée en utilisant une configuration dite de « fuites radiatives » et comparée à celle obtenue sur un échantillon de contrôle.
L’étape suivante est la réalisation d’une jonction nano-antenne intégrée. Un tel échantillon est constitué de la nano-antenne cylindrique, d’une couche mince d’oxyde, puis d’une électrode métallique. Autrement dit, cette fois-ci la jonction tunnel se trouve intégrée dans la nano-antenne. Afin de tester cette jonction nano-antenne intégrée, la pointe conductrice d’un microscope à force atomique (AFM) complétera le circuit électronique. Deux méthodes différentes seront utilisées pour détecter l’émission des plasmons : la microscopie de fuites radiatives, et une détection « tout-électrique » sur puce avec un fil supraconducteur. Un troisième type d’échantillon en forme d’un réseau 1-D de jonctions nano-antenne sera réalisé comme source directionnel de plasmons de surface.
Dans une autre partie du projet, des corrélations entre l’intensité de l’émission des plasmons et les fluctuations du courant tunnel seront mesurées afin de comprendre l’origine de l’émission des plasmons des jonctions tunnel, ce qui pourra mener à une amélioration de leur efficacité. Ces mesures de corrélations seront réalisées de deux façons. Dans un cas, les mesures seront effectuées sur un réseau 2-D de jonctions nano-antenne, qui aura un bien meilleur rapport signal sur bruit par rapport à une jonction planaire. La deuxième mesure de corrélations utilisera une jonction nano-antenne unique avec une détection « tout-électrique » sur puce.
L’ensemble de ces études a pour but d’améliorer de manière importante l’efficacité des nanosources de plasmons à jonction tunnel. A court terme, cette efficacité sera améliorée de plus de deux ordres de grandeur grâce à des nano-antennes plasmoniques conçues pour réduire les pertes. À plus long terme, la compréhension des mécanismes fondamentaux d’émission de plasmons dans la jonction tunnel permettra d’imaginer des améliorations supplémentaires de ces nanosources en influant sur les statistiques de transport à partir de l’environnement électromagnétique.