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Physique des Gap-Plasmons – PGP

Le gap-plasmon : quand la lumière se glisse dans des interstices nanométriques.

L'étude très fondamentale de la façon dont la lumière se glisse entre deux métaux extrêmement proches devrait permettre de mettre au point des capteurs super-sensibles de molécules biologiques, des matériaux artificiels pour manipuler la lumière ou des sources de lumière exotiques (comme des sortes de lasers).

Vers des dispositifs métalliques nanométriques...

En dispersant des cubes métalliques nanométriques sur une surface métallique plane, on peut changer la couleur de la surface – et faire devenir de l'or rouge par exemple. La lumière se glisse en effet jusque sous le cube, même si l'espace entre la surface et le cube est de l'ordre de quelques nanomètres seulement. Puis, si elle a la bonne couleur, le cube résonne comme une corde vibrante et l'absorbe. On peut donc empêcher une couleur de se réfléchir, en fabriquant ce type de surface artificiel – ce qu'on appelle un métamatériau. La couleur sélectionnée dépend de la distance sous le cube, de la taille du cube. Et elle est très sensible à l'environnement. La présence de molécules peut suffire à changer (légèrement) cette couleur. En détectant ce changement, on détecte la présence de ces molécules et on transforme la surface en capteur très sensible. Les cubes sont des absorbeurs très efficaces, mais on peut imaginer des motifs plus complexes (croix), ou d'associer des cubes entre eux. Tous ces exemples reposent sur le fait que la lumière ralentit à l'extrême quand elle se propage dans un interstice métallique nanométrique. <br />Le fait que la lumière ralentisse la rend même très sensible à un phénomène normalement extrêmement ténu, le fait que les électrons se repoussent entre eux à l'intérieur du métal. Un des buts du projet est de comprendre ces aspects et de mettre au point des méthodes de simulation pour les prendre en compte. Il s'agit aussi de développer une théorie complète sur la façon dont la lumière se propage dans ces interstices, pour mieux comprendre et imaginer d'autres dispositifs, d'autres métamatériaux pour d'autres applications, et de les optimiser pour un usage particulier.

Ce projet est purement théorique et numérique. Il vise à mettre en place une compréhension profonde de la propagation de lumière en présence de métaux (en décrivant jusqu'aux phénomènes quantiques qu'on trouve à cette échelle) et à mettre au point des méthodes de simulations adaptées – parce que les méthodes actuelles ne sont pas capables de décrire ces phénomènes nouveaux.

C'est important parce qu'il est courant aujourd'hui que les simulations permettent de dire à l'avance quelle expérience a des chances de montrer un nouveau phénomène. Et puis grâce aux simulations, on peut faire de l'optimisation. C'est tout l'intérêt des simulations : on peut essayer sans faire l'expérience en vrai, et trouver la meilleure structure, pour avoir les plus grandes chances de succès ou la plus grande efficacité.

Mais le projet vise aussi à mettre en place des collaborations avec des expérimentateurs dans toute la France et même dans le monde (par exemple Duke University aux USA), pour réaliser les expériences qui pourraient nous venir à l'esprit (et il y en a déjà plusieurs).

Nous avons mis au point des codes très efficaces pour simuler la propagation de la lumière dans des structures composées de couches de métaux et de diélectriques. Ces codes tiennent comptent des effets non-locaux. Ils montrent que ces structures sont sensibles à la non-localité dans deux cas : quand on cherche à faire des super-lentilles plates capables de battre la limite de la diffraction à laquelle sont soumises les lentilles usuelles, et quand on excite un gap-plasmon.
Cela nous a suggéré de possibles expériences pour mesurer dans une situation très simples les paramètres de la non-localité.

Nous travaillons d'ores et déjà avec des experimentateurs pour savoir à quel point la réalisation des expériences que nous avons en tête risque de se révéler difficile. Quand notre travail théorique de compréhension sera terminé, nous nous tournerons vers des problèmes plus applicatifs pour savoir au combien nos structures seront efficaces ou sensibles, et dans quelle situation exactement elles pourraient trouver une réelle utilité.

Le projet est en cours, mais nous avons soumis un article et sommes en train de libérer nos codes, pour les rendre publics et utilisables par tous.

Un gap-plasmon est le mode fondamental d'un guide métallique réel lorsque la distance entre les deux interfaces métalliques du guide deviennent très petites. Dans ce régime, le mode présente un indice effective très élevé. C'est ce qui permet de comprendre pourquoi des nanocubes de 75 nm
de côté, couplés à un film métallique, constituent un résonateur optique : l'espace entre le cube et le film se comporte comme une cavité optique pour le gap-plasmon.

L'interprétation en termes de gap-plasmons a été largement ignorée par la communauté des métamatériaux, qui avait tendance à se reposer sur une vision des méta-atomes (le motif d'un métamatériau) en termes de circuit électronique. Nous pensons qu'un grand nombre de structures peuvent en fait être considérées comme des cavités pour les gap-plasmons mais n'ont jamais été étudiées de cette façon. Une telle vision des choses a l'avantage énorme de permttre une modélisation aisée de la structure, facilitant son optimisation dans un but précis.

Le premier but de ce projet est d'étudier l' "optique des gap-plasmons" : comment ces modes sont réfléchis quand le guide d'onde se termine, comment ils peuvent être guidés par des réflexions multiples, ce qui devrait conduire finalement à une analyse des cavités grâce à des modèles semi-analytiques. En utilisant ces modèles, nous étudierons des phénomènes comme le contrôle interférométrique de l'absorption par les méta-atomes et son impact sur la section efficace de nanocubes couplés à un film ou bien sous forme de dimères. Nous voulons que ce type d'étude aide à imaginer de nouvelles approches bottom-up pour la fabrication de métamatériaux optiques.

D'un autre côté, des progrès récents dans la fabrication et l'assemblage de structures très largement sous longueur d'onde ont
permis d'atteindre les limites de notre description actuelle des métaux (dans laquelle le caractère fondamentalement non-local de leur
réponse est négligé). Il s'avère que, grâce à leur indice effectif élevé, les gap-plasmons sont très sensibles à la non-localité. Certains d'entre nous on récemment montré que pour un espace inférieur à 5 nm d'un guide métallique, la nonlocalité commence à avoir un impact sur la relation de disersion du gap-plasmon . C'est précisément l'épaisseur du guide pour laquelle la section efficace d'un nanocube couplé à un film métallique est maximum.

Quand les gap-plasmons sont responsables de la résonance d'une structure donnée, cela signifie que les chances sont grandes pour que
la non-localité ne puisse être négligée - surtout quand on essaie de diminuer la taille des résonateurs en augmentant l'indice effectif des
gap-plasmons. Pour pouvoir estimer l'impact de la non-localité sur de telles structures, des outils numériques adaptés comme des méthodes modales sont indispensables. Ces méthodes sont bien connues pour faciliter l'analyse physique des dispositifs optiques. Les méthodes
modales de Fourier ne sont cependant pas adaptées à la nonlocalité à cause des conditions aux limites particulières imposées par
celle-ci. De nouvelles approches, comme celles que certains d'entre nous ont déjà proposées dans le cadre des méthodes modales, sont une
voie évidente vers des outils numériques capables de prendre en compte la non-localité.

Beaucoup d'autres structures sont probablement sensibles à la non-localité, comme le suggèrent des résultats préliminaires, comme les réseaux métalliques à fentes très fines, ou les métamatériaux hyperboliques (soit parce qu'ils présentent des indices effectifs élevés, soit parce qu'ils ont
été utilisés pour fabriquer des lentilles de résolution sub-longueur d'onde). Mentionnons pour finit les modes guidés par des sillons ou des coins.
Le dernier but du project est d'étudier l'impact de la non-localité sur toutes ces structures.

Coordinateur du projet

Monsieur Antoine MOREAU (Institut Pascal) – antoine.moreau@univ-bpclermont.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IP Institut Pascal

Aide de l'ANR 181 118 euros
Début et durée du projet scientifique : août 2013 - 48 Mois

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