Excitation électrique de nanocavités chirales plasmoniques – ChiC

Les structures chirales, c’est-à-dire qui ne peuvent pas être superposées à leur image dans un miroir, interagissent différemment avec la lumière suivant que la polarisation incidente est circulaire gauche ou droite. Ainsi, une structure d'une certaine chiralité diffuse ou absorbe préférentiellement la lumière qui est polarisée circulairement gauche ou droite, produisant ainsi une «réponse chiroptique» spécifique. La chiralité est une propriété cruciale pour de nombreuses molécules essentielles en biologie, telles que les protéines et les acides nucléiques et aminés. Le plus souvent, cependant, la réponse chiroptique de ces molécules est très faible. La mise au point d’une méthode permettant d’exalter la réponse chiroptique serait donc une avancée majeure pour de nombreuses applications en biologie, chimie et physique. C'est un objectif majeur de ce projet.

Une nanocavité plasmonique (ou structure «nanoparticule sur un miroir») est formée lorsqu'un espace nanométrique sépare une nanoparticule de métal plasmonique d'un substrat métallique. Le champ électromagnétique dans une telle nanocavité est considérablement exalté, grâce aux résonances plasmoniques qui «concentrent» le champ électromagnétique. L'idée principale de ce projet est donc d'appliquer ce principe aux cavités plasmoniques chirales et ainsi de renforcer les interactions chirales entre la lumière et la matière. Ce type de nanocavité chirale sera réalisé en déposant une nanoparticule d'or synthétisée chimiquement et de forme chirale sur une couche mince séparatrice isolante (0,5 - 2 nm) sur un film métallique. Ce sera la première fois qu'une telle nanocavité chirale est étudiée.

La réponse chiroptique des matériaux et des structures est le plus souvent étudiée par des moyens optiques, mais dans un futur nanodispositif optoélectronique, une excitation électronique locale est nécessaire. En gardant à l'esprit cet objectif à long terme, nous utiliserons des électrons tunnel inélastiques pour exciter localement les échantillons de "nanoparticules sur un miroir". L’excitation sera réalisée grâce à la jonction tunnel formée par la nanoparticule chirale et le substrat métallique. Afin de polariser la jonction, le circuit électrique sera complété au moyen de la pointe conductrice d'un microscope à force atomique.

Afin de démontrer une application possible de la réponse chirale améliorée attendue dans la géométrie «nanoparticule chirale sur un miroir», un monofeuillet de dichalcogénure de métal de transition (TMDC) sera placée dans la cavité plasmonique chirale. Les TMDC sont des semiconducteurs bidimensionnels (2D) qui sont au cœur d’un nouveau paradigme technologique: la «valléetronique». En valléetronique, c'est l'état de vallée des électrons (c'est-à-dire leur vecteur "quantité de mouvement" dans le réseau réciproque du cristal) qui peut être utilisé pour stocker et transporter des informations. Dans les TMDCs, les électrons de différentes vallées émettent de la lumière avec différentes polarisations circulaires lors de leur recombinaison avec des trous – la valléetronique est donc intimement liée à la chiralité. Dans une nanocavité plasmonique chirale, on s'attend à ce que l'émission d'une vallée particulière soit exaltée.

Les principaux objectifs de ce projet sont donc les suivants:
i. Développer des méthodes chimiques extensibles pour la synthèse colloïdale de nanoparticules métalliques plasmoniques chirales de haute qualité et de différentes formes et tailles.
ii. Construire des structures optimisées de «nanoparticules chirales sur un miroir» (CNoM), c'est-à-dire un nano-objet fonctionnel complexe, afin d'exalter la réponse chirale.
iii. Étudier l'excitation électrique locale de nanoparticules chirales avec des électrons tunnel inélastiques.
iv. Exciter préférentiellement et électriquement la luminescence polarisée circulairement gauche ou droite (c'est-à-dire d'une «vallée» particulière) à partir de TMDC 2D via des nanoparticules chirales et des structures CNoM.