Les nanoparticules de métaux nobles présentent d’étonnantes propriétés optiques accessibles à tout un chacun au travers des couleurs chatoyantes des vitraux médiévaux. Dans cet exemple, le rendu des couleurs est lié à l’occurrence de résonances plasmons, une oscillation collective des électrons de conduction du métal sous l’influence d’un champ électromagnétique externe, ici la lumière du jour. Au-delà du domaine artistique, la plasmonique offre la possibilité de manipuler la lumière à l’échelle du monde nano. Cette perspective impose de comprendre plus avant la physique régissant ce phénomène, de concevoir des modèles théoriques susceptibles d’appréhender l’optique de petits objets et de développer des méthodes de caractérisations expérimentales haute résolution du champ proche optique.
Nos travaux visent à répondre à ces trois attentes. Sur un plan théorique, l’ingénierie du champ proche optique d’objets de tailles nanométriques peut être conduite quantitativement par simulation numérique au moyen de méthodes avancées telles que la méthode des différences finies dans le domaine temporel (Finite Difference Time Domain FDTD) ou l’approximation dipolaire discrète (Discrete Dipole Approximation DDA). Ces méthodes, toutefois, sont lourdes d’implémentation et requièrent des ressources informatiques conséquentes. Ce travail propose une méthode simple d’analyse du champ proche optique basée sur la théorie des groupes. Elle permet de prédire et d’interpréter le comportement plasmonique d’une particule de symétrie finie en quelques minutes seulement.
La première étape consiste en l’identification des symétries de l’objet et du champ excitateur. Ces éléments permettent la détermination des états propres symétriquement adaptés associés aux résonances plasmons de l’objet d’étude selon une démarche équivalente à celle mise en œuvre en chimie pour le calcul des orbitales moléculaires par combinaison d’orbitales atomiques. Ces états représentent la distribution de charges induites à résonance. Les paramètres de l’illumination, c’est-à-dire la longueur d’onde et la polarisation du champ incident, autorisent la manipulation sublongueur d’onde du champ optique par adressage sélectif de modes plasmons.
Ces prédictions sont confrontées aux réponses plasmoniques réelles de nano-objets de différentes géométries et tailles : cube, prisme… étudiées par microscopie de photoémission d’électrons (PhotoEmission Electron Microscopy PEEM), une microscopie électronique non intrusive d’une grande résolution spatiale au regard des grandeurs optiques manipulées.
Figure 1. Plasmonique : Manipulation de la lumière à l’échelle nano sur des cubes d’or. Schéma de principe.
La figure 1 représente une vue d’artiste de l’expérience conduite. A titre d’exemple, la figure 2 rapporte le comportement plasmonique de petits cubes d’or déposés sur substrat et illuminés sous incidence rasante. Le signal optique s’interprète comme une combinaison de deux modes plasmons de l’objet, l’un excité par la composante verticale du champ électrique, l’autre par sa composante planaire. Tout changement dans la polarisation de l’illumination s’accompagne d’une modification de la pondération entre ces deux états, un moyen simple de manipuler un signal optique à petite échelle.
> En résumé, la plasmonique constitue une voie de miniaturisation et de manipulation de la lumière aux petites échelles. Elle augure ainsi d’importantes promesses technologiques dans un large éventail de domaines d’applications : imagerie, détection, communication, énergie, thérapie médicale.
Figure 2. Ingénierie du champ proche optique d’un cube d’or pour différentes orientations du champ électrique excitateur.
(a) Cartographie du champ proche optique en microscopie PEEM,
(b) Simulation numérique par la méthode des éléments frontières, (c) Interprétation par la théorie des groupes.
Référence:
Near-Field Localization of Single Au Cubes, a Predictive Group Theory Scheme. Sarra Mitiche, Sylvie Marguet, Fabrice Charra, Ludovic Douillard Journal of Physical Chemistry C 121 (2017) 4517–4523.
Contact CEA : Ludovic Douillard (IRAMIS/SPEC/LEPO).
