Danser avec des électrons pour éclairer la nanoéchelle

2023/04/26 Mattin Urbieta Galarraga Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Nanoteknologia
• Fisika

Bon nombre des avancées technologiques et des découvertes scientifiques réalisées tout au long de l'histoire ont été fondées sur l'amélioration de notre capacité visuelle. XVI. et XVII. pendant des siècles, les inventions de la loupe et, en particulier, des premiers microscopes optiques ont donné une impulsion notable à la biologie et à la médecine. Ces systèmes optiques traditionnels, cependant, ont une résolution limitée, c'est-à-dire qu'ils supportent une diffraction qui permet de caractériser les détails ayant une taille d'onde de lumière similaire ou supérieure à la longueur d'onde de la lumière utilisée. La longueur d'onde est la distance de deux ondes geminées, comme le montre la figure 1. Dans le cas des vagues de la mer, par exemple, la distance entre les sommets est généralement de quelques dizaines de mètres. Dans le cas de la lumière visible, par contre, la longueur d'onde varie entre 380 et 750 nm, de sorte qu'il n'est pas possible de distinguer des détails de plus petite taille à l'aide de systèmes optiques traditionnels.

Pour dépasser la limite imposée par la diffraction, nous avons besoin de techniques permettant de confiner la lumière dans un espace inférieur à sa longueur d'onde. Heureusement, l'interaction de la lumière et de la matière sur la nanoéchelle peut conduire à la localisation de la lumière sur cette échelle. Pour ce faire, il faut nous plonger dans le royaume de la nanopophonie.

Danser avec des électrons

Le confinement sous-jacent à la longueur d'onde de la lumière peut être obtenu, entre autres, par des plasmons superficiels. Que sont les plasmons? Dans les matériaux conducteurs, contrairement aux isolants, les électrons peuvent circuler librement. L'ensemble d'électrons libres peut être représenté comme un gaz ou un nuage. Si ce nuage sort de son état d’équilibre — 2. comme le montre la figure, l'absence d'électrons à l'endroit où elle se trouvait au début. D'un point, nous aurons donc un excédent de charge négative et, d'un autre côté, une surcharge positive dans la région où ces électrons étaient situés. En raison de l'attraction de charges positives et négatives entre elles, l'électron-cloud supportera une force d'attraction qui oscille d'un côté à l'autre avec une fréquence propre. C'est-à-dire que les électrons peuvent danser dans les matériaux conducteurs, et pour cela ils ont un rythme propre qui dépend du matériau. Ces oscillations collectives d'électrons libres sont appelées plasmois.

Les plasmons peuvent être excités par la lumière et, en général, par des ondes électromagnétiques. Dans une structure fermée et conductrice, comme une nanoparticule, les électrons locaux suivront le champ électrique de cette onde et s'accumuleront sur un côté de la surface de la nanoparticule, comme le montre la figure 3. Au fur et à mesure que le champ électrique de la lumière oscille, l'électron-nuage oscille également en suivant lui, dansant au rythme qui marque la lumière. Si la fréquence de la lumière est égale à la fréquence naturelle, nous aurons une résonance dans la nanoparticule, c'est-à-dire que nous exciterons un plasmon.

Une accumulation de charges que nous avons en surface générera un champ électrique appelé zone induite. Ce champ électrique induit est très violent autour de la surface où la charge a été déposée. L'intensité de la lumière éclairée peut être jusqu'à 100 fois plus intense que celle que nous avons utilisée, mais elle s'affaiblit très rapidement (exponentiellement) alors que nous nous éloignons de la surface. Cela nous permet d'avoir une extension du champ dans une région de quelques nanomètres. Par conséquent, les plasmons ont la capacité de localiser la lumière et peuvent être utilisés pour dépasser la limite de diffraction. Cela permet de distinguer des détails proches de la surface de la nanoparticule, comme des molécules. Qui pense que certains danseurs d'électrons pouvaient éclaircir la nanoéchelle!

Non seulement cela, les nanoparticules plasmogènes ont la capacité de localiser la lumière sur la nanoéchelle, mais aussi de disperser la lumière à distance. C'est-à-dire, comme une antenne, ils ont la capacité de recevoir et d'émettre ensuite des ondes électromagnétiques: ce sont les nanoantennes. Cette capacité nous permet d'interroger les nanoparticules plasmiques en utilisant la lumière pour obtenir des informations sur la nanoparticule et son environnement.

La localisation de la lumière à la limite

Les plasmons excitables dans les nanoparticules présentent une dépendance de quatre caractéristiques: taille, géométrie, matériau et milieu de celui-ci. Dans ma thèse, j'ai étudié l'influence de la géométrie des nanoparticules sur les champs induits. En fait, autour des sommets se trouve encore plus le champ électrique dans les conducteurs, car plus d'électrons y sont accumulés. Ce phénomène est appelé effet paratéral (le fonctionnement des paratéraux est basé sur ce phénomène).

J'ai vu dans ma thèse que le comportement des électrons à l'échelle atomique est similaire. Sa combinaison avec des plasmons permet la localisation subbanométrique de la lumière. Cette localisation subbanométrique de la lumière fournit des informations sur un espace très réduit, comme le montre la figure 4. Par exemple, si nous avons des molécules entre les nanoparticules et les surfaces conductrices, nous pouvons exciter les vibrations de ces dernières et étudier leur structure. Oui, les molécules peuvent aussi danser!

Éléments nécessaires pour prédire la localisation de la lumière

Pour prédire, par simulation, la localisation du champ que nous pouvons obtenir sur les sommets d'une nanoparticule ou nanostructure de ces caractéristiques, nous pouvons utiliser différents modèles. En fait, il faudrait partir d'un modèle qui tienne compte de la position des atomes, c'est-à-dire de la structure cristalline. Non seulement cela, mais aussi le caractère quantique des électrons. Cependant, dans cette thèse, nous avons utilisé des modèles plus simples pour prédire la localisation du champ et le montant de l'élargissement. La forme ou la forme du nuage électron sans excitation externe, c'est-à-dire sans éclairage, peut être suffisante dans de nombreux cas. La figure 5 montre deux exemples. Autrement dit, il n'est pas nécessaire de décrire en détail la structure cristalline. Des murs ont été placés dans la salle des fêtes, compte tenu de l'espace utilisé par les électrons pour danser, de sorte que le rythme de la musique et les mouvements des danseurs ne subissent pas de changements significatifs.

Au lieu d'utiliser de la lumière pour analyser des échantillons et exciter des plasmons, nous pouvons utiliser d'autres techniques. Les électroménagers peuvent être utilisés, par exemple, au moyen de microscopes électroniques de balayage et de transmission. Ce type de microscopes lancent des électron-faisceaux pour recueillir les échantillons après collision ou à travers. Cela permet de mesurer des paramètres tels que l'énergie perdue par les électrons, le détournement qu'ils ont subi. Ces données permettent d'analyser les propriétés de l'échantillon. En outre, une résolution beaucoup mieux qu'avec la lumière est obtenue et une résolution sous les nanomètres est autorisée. Les électrons peuvent également être utilisés pour exciter les plasmons dans les nanostructures conductrices. Par leur résolution, les électrons sont plus sensibles que les techniques utilisant la lumière sur la géométrie de nanoparticule. Une occasion unique de définir les limites des modèles. Comme je l'ai montré dans ma thèse, la description détaillée de la géométrie de nanoparticule dans les modèles simples mentionnés est indispensable pour confirmer les résultats obtenus dans les modèles plus complexes.

L'appréciation de la géométrie plus ou moins approximative facilite considérablement les simulations. En outre, bon nombre des nanostructures utilisées dans de nombreuses expériences sont trop grandes et complexes pour pouvoir tenir compte des atomes un à un et ainsi effectuer des simulations par ordinateur. Tout simplement, les ordinateurs actuels ne disposent pas de suffisamment de puissance pour effectuer des simulations aussi lourdes. Il est donc nécessaire de déterminer les limites et les capacités des modèles les plus simples disponibles pour confirmer la fiabilité des résultats et des prévisions des simulations. Nous ne devons pas vous donner à danser avec les électrons perdus.

 

BIBLIOGRAPHIE

L. Novotny and B. Hecht, « Principles of Nano-Optics », Cambridge University Press, Cambridge, 2012.

P. N. Prasad, “Nanophotonics”, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, 2004.

M. Pelton, J. Aizpurua et G. Bryant, “Metal-nanoparticle plasmonics”, Laser & Photonics Review 2, 136–159 (2008).

F. Benz, M. C. Schmidt, A. Dreismann, R. Chikkaraddy, Y. Zhang, A. Demetriadou, C. Carnegie, H. Ohadi, B. de Nijs, R. Esteban, J. Aizpurua et J. J. Baumberg, “Single-molecule optomechanics in “picocavities”, Science 354, 726–729 (2016).

M. Urbieta, M. Barbry, Y. Zhang, P. Koval, D. Sanchez - Portal, N. Zabala et J. Aizpurua, “Atomic-Scale Lightning Rod Effect in Plasmonic Picocavities: A Classical View to a Quantum Effect », ACS Nano 12, 585–595 (2018)

R. Egerton, “Electron Energy - Loss Spectroscopy in the Electron Microscope”. Springer US, Boston, MA, 2011.

F. J. Garcia De Abajo, “Optical excitations in electron microscopy”, Reviews of Modern Physics 82, 209–275 (2010).