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domptent la lumière

ANTOINE CAPPELLE acappelle@industrie-technologies.com

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La lumière n'obéit plus aux lois de l'optique classique quand elle rencontre des structures nanométriques, de taille inférieure à sa longueur d'onde. Mettant à profit les nouvelles propriétés mises en jeu, les chercheurs développent des systèmes pour émettre et guider la lumière avec une précision jusqu'alors inaccessible. Les recherches menées dans cette discipline, la nanophotonique, promettent un champ d'applications vaste, de la médecine à l'électronique.

Fasscinant ! La lumière nous réserve encore des surprises ! Pendant des siècles, elle a donné lieu à de foisonnants travaux. Les lois qui régissent son comportement ont été découvertes, d'abord l'électromagnétisme, puis la physique quantique. Grâce à ces connaissances, la lumière a été mise à profit pour transporter de l'information à travers des fibres optiques. Nous avons appris à la manipuler avec toujours plus de précision : il existe maintenant des lasers intégrés sur des puces électroniques capables de transmettre le signal de façon optique.

La longueur d'onde de la lumière visible s'étend entre 380 et 780 nanomètres. Aujourd'hui, de nombreuses technologies ont dépassé cette échelle. Conséquence pour la lumière : interférer avec des structures physiques nanométriques révèle des propriétés nouvelles, inenvisageables avec l'optique macroscopique. Une nouvelle science est née : la nanophotonique. « L'optique traite de la propagation de la lumière. La photonique recouvre un champ plus large, prenant en compte l'émission, la détection et l'absorption », explique Fabrice Charra, responsable du laboratoire de nanophotonique au CEA. Cela peut ainsi donner lieu à des usages variés, dans les domaines de l'électronique, de l'imagerie, ou de la médecine. Cependant, la nanophotonique reste encore essentiellement dans les laboratoires. Les procédés qu'elle demande de maîtriser ne sont pas encore mûrs pour l'industrie.

Utiliser les propriétés quantiques de la matière

En modelant des objets de quelques nanomètres, il est possible de faire entrer en jeu les propriétés quantiques de la matière. « En confinant des électrons dans des puits d'énergie, on peut stimuler l'émission de lumière », détaille Fabrice Charra. Les premiers puits quantiques n'étaient qu'à deux dimensions : « En superposant des couches de compositions chimiques différentes, on module l'énergie des électrons ». D'abord limité à des plans, confinant les électrons entre deux couches, ce principe a été étendu à des fils et des points, qualifiés de quantiques. La dimension de l'objet influe sur la longueur d'onde de la lumière émise : les points quantiques d'environ 2 nanomètres émettront dans le bleu, ceux de 6 nanomètres dans le rouge. Leur taille peut aller jusqu'à 10 nanomètres. Au-delà, elle est trop importante par rapport à la longueur d'onde de l'électron : le confinement ne fait plus effet.

Fabriqués à base de matériaux semi-conducteurs, ces petits émetteurs de photons peuvent être utilisés notamment dans des lasers. « Il est possible de fabriquer des sources de photons uniques », précise Fabrice Charra. « Elles émettent des photons à intervalles réguliers. Avec un modulateur, on peut transmettre de l'information en enlevant certains photons. » Ce système peut avoir une application en cryptographie quantique : une méthode qui coupe la transmission lorsqu'un tiers tente d'en intercepter les données.

Exploiter les oscillations d'électrons dans un métal

L'usage des propriétés quantiques de la lumière ne se cantonne pas à la physique pure : la médecine peut également y trouver son compte. Les points quantiques peuvent être utilisés comme marqueurs biologiques, en remplacement des habituelles molécules fluorescentes. Le point quantique, greffé à une molécule, forme un objet capable de se fixer à un organe, ou sur l'ADN. Ce dispositif est robuste : sa durée de vie peut être d'une dizaine d'heures, contre une dizaine de minutes pour une molécule fluorescente, rapidement dégradée par l'organisme. De plus, il est possible de définir la longueur d'onde avant son utilisation.

À partir de quelques dizaines de nanomètres, d'autres propriétés de la matière peuvent influer sur le comportement de la lumière. Comme les plasmons : des oscillations d'électrons dans un métal, couplées à l'onde électromagnétique qu'est la lumière. « Les particules exploitant cette propriété ont de nombreuses applications », explique Renaud Bachelot, chercheur au laboratoire de nanotechnologies et d'instrumentation optique de l'université de technologie de Troyes. « Elles peuvent être utilisées comme des guides d'ondes, ou des antennes capables de filtrer la lumière et de l'exalter, une forme d'amplification optique. »

Les chercheurs ne manquent pas d'idées pour trouver des fonctions à ces particules. De 10 à 60 nanomètres, elles peuvent générer plusieurs sources de lumière, selon leur forme ou la polarité de la lumière incidente. « L'intérêt est de s'en servir dans des dispositifs hybrides, couplés à d'autres matériaux, comme des polymères, ou le silicium utilisé en électronique », souligne Renaud Bachelot. Intégrer une nano-antenne à la base d'un guide d'onde en silicium, l'équivalent d'une fibre optique, rendrait la transmission de données plus rapide qu'en électronique, et sur des systèmes plus petits. Les propriétés photosensibles de certains matériaux ouvrent la voie à des manipulations chimiques à l'échelle de quelques dizaines de nanomètres : « Nous savons faire durcir des boules de polymères sur les sommets d'une nano-antenne triangulaire. Dans le polymère, nous pouvons incorporer par exemple des points quantiques, ou des molécules fluorescentes. »

Les propriétés de filtrage et d'exaltation des métaux plasmoniques peuvent également être utilisées dans des cristaux photoniques. La structure régulière de ces objets leur confère des fonctions optiques particulières. « Nous perçons des trous dans un métal, de 150 à 300 nanomètres de diamètre, pour former des mailles géométriques, répétées de façon périodiques tous les 200 nanomètres », explique Maria-Pilar Bernal, responsable de l'équipe nano-optique de l'institut Femto-ST. Selon la nature des matériaux, l'espacement des motifs, leur forme et leur taille, les cristaux pourront traiter la lumière de différentes façons : filtrer, amplifier, séparer ou mélanger les longueurs d'ondes, et même faire tourner un faisceau à 90 degrés, ce qui est impossible avec une fibre optique.

La nanophotonique est aujourd'hui un domaine pluridisciplinaire, qui concerne aussi bien la biologie que l'électronique. Elle donne accès à de nombreux outils pour manipuler la lumière à une échelle où les lois de l'optique classique ne s'appliquent plus. Les vastes perspectives qu'elle offre sont stimulantes pour les chercheurs, dont les idées lumineuses restent néanmoins limitées par les techniques de fabrication.

DÉPART

La nano-optique a démarré dans les années 80, avec le développement de la microscopie à sonde locale, capable d'étudier la matière à l'échelle nanométrique.

Des antennes dans tous les domaines

cLes nano-antennes sont des particules métalliques utilisant l'excitation d'ondes lumineuses plasmoniques à leur surface. Leur champ d'application est extrêmement large. Éclairées par une source lumineuse, elles sont capables d'amplifier la lumière en la confinant dans une zone précise. La médecine pourrait les mettre à profit, avec la photothérapie : pour soigner une tumeur, on pourrait y accrocher un système capable de concentrer la lumière avec une antenne, et de la transformer en chaleur pour attaquer la zone ciblée. Des cellules photovoltaïques utilisant ces propriétés sont en développement : les nanoparticules peuvent y réduire les pertes dues à la réflexion de la lumière solaire, concentrer les rayons ou rallonger le trajet de certaines longueurs d'ondes dans le matériau, afin de maximiser l'absorption d'énergie.

MARIA-PILAR BERNAL RESPONSABLE DE L'ÉQUIPE NANO-OPTIQUE DE L'INSTITUT FEMTO-ST

« Le plus difficile est de trouver le cristal »

« Les propriétés d'un cristal photonique dépendent de nombreux paramètres. L'épaisseur et la nature du métal, celle du substrat sur lequel il sera déposé, la taille des trous, le motif qu'ils forment, la longueur d'onde à traiter : tous ces degrés de liberté interagissent entre eux. Pour concevoir un cristal, nous devons donc commencer par faire des simulations numériques, afin de déterminer les critères à retenir. Les cristaux sont ensuite fabriqués en salle blanche. Le motif peut parfois être réalisé avec un masque de gravure, mais certains matériaux nécessitent de percer les trous un par un. Une fois l'objet terminé, nous devons vérifier s'il a bien les propriétés désirées. Pour cela, il nous faut trouver la partie active au microscope : une zone d'une dizaine de microns sur un échantillon de quelques millimètres carrés. C'est la partie la plus difficile ! »

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