Prendre soin de la quantique

2024/10/23 Babaze Aizpurua, Antton - Materialen Fisika Zentroko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Imaginez les anneaux d'or, le cou et les boucles d'oreilles que la grand-mère portait sur le tireur de la chambre, avec cette couleur d'or caractéristique brillante. N'importe qui dirait que c'est la couleur naturelle de l'or que nous imaginons, n'est-ce pas? Eh bien, si nous trions ces bijoux de grand-mère et les réduisions à la taille nanométrique (rendant mille fois plus petites que l'épaisseur d'un cheveu), ils n'enverraient plus l'or brillant, mais rouge ou vert! De plus, selon la forme du bijou, ils enverraient l'une ou l'autre couleur! [1] Qu’est-ce qui provoque cette transformation fascinante ? Ce changement de couleur est dû à une propriété unique des nanoparticules métalliques: la résonance plasmo-2, c'est-à-dire l'oscillation des électrons lors de l'illumination d'une nanoparticule métallique (voir figure 1).

La lumière est une onde électromagnétique, tout comme les rayons gamma ou les ondes radio. La principale caractéristique de la lumière est la fréquence, le nombre d'oscillations effectuées par ondes électromagnétiques à chaque seconde. La fréquence joue un rôle fondamental dans la perception du monde, car c’est elle qui fixe ce que nous entendons par couleur. Tout corps éclairé absorbe une partie des ondes électromagnétiques et réfléchit une autre partie. L'œil reçoit ces ondes réfléchies et à travers certaines cellules que nous avons dans la rétine, des signaux électriques sont envoyés au cerveau. Le cerveau interprète ensuite chaque fréquence reçue comme une couleur. Mais continuons avec des résonances placistes.

Lorsque la lumière affecte une nanoparticule métallique, les électrons qui y sont oscillent avec la fréquence de la lumière, comme les vagues de la mer, et absorbent et dispersent la lumière pour créer des couleurs étonnantes. Les oscillations de ces électrons sont les plasmons. Cependant, ce phénomène n'est pas seulement une curiosité scientifique, mais il a de profondes implications dans différents domaines de la nanotechnologie. Cependant, même si cela semble étrange, les premiers signes de résonances placistes peuvent être trouvés depuis plus d'un millénaire. Un exemple remarquable est la Coupe de Licourgo du IVe siècle [3], une coupe romaine de verre qui semble verte lorsqu’elle s’illumine en avant et rouge en arrière (voir figure 2). Cette astuce pour changer la couleur est due aux nanoparticules d'or et d'argent insérées dans le verre. À l'époque, il est probable que des nanoparticules métalliques aient été introduites involontairement, mais nous profitons maintenant pour des applications modernes. Une ancienne relique jouant avec la nanotechnologie. Qui le dirait!

Nano-antennes: lumière dans de petits espaces!

Un aspect fascinant des résonances plasmiques est la capacité de capter la lumière dans de très petites zones, de sorte que les nanoparticules de métal peuvent fonctionner comme nanoantenne [4]. Pensez aux antennes radio qui prennent des signaux électromagnétiques et les concentrent sur un récepteur; les plasmoses font quelque chose de semblable, mais avec de la lumière, et le confinent dans des tailles nanométriques. Ce confinement permet de manipuler la lumière à une échelle beaucoup plus petite que la longueur d'onde, ce qui est essentiel pour les applications avancées en optique et en photonique.

Mais la nanoplasmotechnique n'est pas seulement de transmettre de belles couleurs. Il a des applications larges et révolutionnaires. De l'amélioration de l'efficacité des cellules solaires à la création de capteurs très sensibles ou à l'amélioration du stockage des données, les résonances placistes sont au cœur de nombreuses avancées technologiques. L'une des applications les plus attendues de la nanoplasmotechnique est le traitement du cancer [5]. La thermothérapie plasmologique tire parti de la chaleur générée par la résonance plasmo-plasique. Les nanoparticules d'or peuvent être canalisées dans des cellules cancéreuses et, lorsqu'elles sont soumises à l'action de la lumière, les cellules nocives sont chauffées et détruites sans endommager le tissu sain de l'environnement. Ce type de thérapie offre un traitement moins invasif et efficace par rapport aux méthodes traditionnelles.

Encore plus intéressant avec les molécules!

Les propriétés des plasmoses deviennent encore plus intéressantes lorsqu'elles interagissent avec les molécules installées à proximité. Par exemple, ils jouent un rôle essentiel dans l’amélioration des spectroscopies moléculaires, car les résonances placistes peuvent amplifier les signaux émis par les molécules, et ainsi les scientifiques peuvent détecter des molécules individuelles [6]. Cette capacité est utile, par exemple, pour l'analyse chimique.

Dans ma thèse de doctorat [7], j'ai étudié l'interaction entre les molécules et les nanoparticules métalliques, en analysant les phénomènes quantiques impressionnants qui se produisent lorsque la physique classique brise les lois et le monde quantique prend le contrôle.

Ponts électroniques

La première découverte surprenante était quand j’ai vu qu’une molécule était placée entre deux nanoparticules métalliques [8]. Pour ce faire, je n’ai pas utilisé de laboratoire, mais des simulations longues et lourdes par ordinateur, plus longues, lourdes et amusantes, dirais-je. J'ai mis la molécule très près de deux nanoparticules, à une moyenne de nanomètres environ, et j'ai envoyé de la lumière à l'ensemble du système. J'ai observé que les électrons d'une nanoparticule ont absorbé l'énergie de la lumière et, en traversant la molécule, ont sauté jusqu'à l'autre nanoparticule (voir figure 3). Il n'y avait pas de contact direct entre la molécule et les nanoparticules, mais, malgré cela, les électrons pouvaient se déplacer entre les nanoparticules. C'est comme si les électrons se téléportaient d'un endroit à l'autre sans contact physique!

Ici est en jeu la magie de la mécanique quantique. En fait, les électrons sont transférés par l'effet tunnel. L'effet tunnel des électrons est un phénomène quantique dans lequel les électrons peuvent traverser une sorte de barrière qu'ils ne peuvent pas traverser classiquement. On dit qu'ils ne peuvent pas le traverser de manière classique, car les électrons n'ont pas l'énergie nécessaire pour dépasser le potentiel existant entre le vide et le métal. Cet effet n'a pas d'équivalent dans le monde macroscopique dans lequel nous sommes habitués et peut conduire à une voie de conductance à l'échelle nanométrique, facilitant l'accès à de nouveaux appareils électroniques très petits mais très efficaces. Imaginez une sorte de « pont invisible », c’est une pure magie quantique !

Émission de lumière interdite

Une autre découverte importante a été que lorsqu'une molécule est placée à côté d'une nanoparticule de métal, la couleur de la lumière émise par le système entier peut varier complètement. Tout d'abord, je n'ai illuminé que des nanoparticules, sans molécules. Bien sûr, à nouveau en utilisant des simulations par ordinateur. J'ai vu que la nanoparticule émettait la couleur de la lumière que je lui envoyais, c'est-à-dire en utilisant la lumière rouge, la nanoparticule émettait la couleur rouge, et en utilisant la lumière bleue, la nanoparticule émettait la couleur bleue.

Mais quand je mettais une molécule à côté de la nanoparticule, c'était quelque chose de très intéressant. Quand j'enverrai la lumière rouge, le système pourrait émettre la lumière bleue. Ce phénomène est la conséquence d'un autre effet quantique dans lequel le système absorbe deux photons de couleur rouge (basse fréquence) en même temps et émet un seul photon de couleur bleue (le plus souvent). Combien de choses peuvent faire ensemble les nanoparticules et les molécules, non!

L'influence de la nanoplasmique est évidente et importante à l'heure actuelle. Qui aurait pu croire qu’une chose aussi négligeable pourrait avoir un effet aussi significatif? La prochaine fois que vous verrez une pièce de métal simple, rappelez-vous que sous votre surface il y a un monde de couleurs et de possibilités infinies. Les résultats annoncés dans ma thèse de doctorat correspondent à ce puzzle fascinant en constante évolution, mais vont-ils aider à l'avancement des appareils électroniques nanométriques ? Seul le temps le dira.

Bibliographie

[1] N. J. Halas, S. Lal, W.S Chang, S. Link, et P. Nordlander (2011) “Plasmons in strongly coupled metallic nanostructures”. Chemical reviews, 111(6), 3913-3961.

[2] L. Novotny et B. Sort (2012)Principles of nano-optics. Cambridge University Press.

[3] I. Freestone, N. Mr. Sax et C. Higgitt (2007). “The Lycurgus cup—a roman nanotechnology”. Gold bulletin 40 270-277.

[4] L. Novotny et N. van Hulst (2011). “Antennes for light”. Nature photonics, 5(2), 83-90.

[5] R. Bardhan, S. Lal, A. Joshi et N. J. Halas (2011) “Theranostic nanoshells: from probe design to imaging and treatment of cancer”. Accounts of chemical research, 44(10), 936-946.

[6] F. Benz, M. K. Schmidt, A. Dreismann, R. Chikkaraddy, Y. Zhang, A. Demetriadou, ... et J. J. Baumberg (2016) “Single-molecule optomechanics in picocavities”. Science, 354(6313), 726729.

[7] A. Protection (2022). “Quantum Many-Body Effects in the Optoelectronic Response of Plasmonic Nanostructures and their Coupling to Quantum Emitters”. Thèse de doctorat. Université du Pays basque.

[8] A. Babaze, R. Esteban, A Le docteur G. Borisov et J. Aizpurua (2021) “Electronic exciton–plasmon coupling in a nanocavity beyond the electromagnetic interaction picture”. Nano Letters, 21(19), 8466-8473.

[9] A. Babaze, R. Esteban, J. Aizpurua et A. Dr G. Borisov 2020. “Reman-harmonic generation from a quantum emitter coupled to a metallic nanoantenna”. ACS photonics, 7(3), 701-713.