Découverte de la transmission optique extraordinaire

Cette année, le Centre National de Recherche Scientifique (CNRS) fête ses 80 ans. Depuis 1954, il attribue sa médaille d’or à une personnalité scientifique de renom. Officieusement, un certain équilibre entre les disciplines est respecté. Ainsi, à la philosophe Barbara Cassin en 2018 a succédé le physico-chimiste Thomas Ebbesen cette année. Le prix récompense ses découvertes importantes dans le domaine des nanosciences. Ce terme très générique concerne la fabrication et l’étude de matériaux à l’échelle nanométrique. Découvrons la transmission optique extraordinaire.

De très petits trous qui laissent passer la lumière

Une plaque métallique, percée de trous nanométriques espacés de manière régulière sur une trame carrée, laisse passer la lumière de manière beaucoup plus importante que prévu. C’est l’une des découvertes de Thomas Ebbesen qui a particulièrement retenu notre attention par ses potentialités applicatives en optique. Elle porte le nom énigmatique de transmission optique extraordinaire. Quèsaco ?

1. Prenez une couche métallique de 300 nanomètres d’épaisseur. Ça parait peu mais c’est largement suffisant pour que le métal soit complètement opaque : aucune lumière ne peut être transmise à travers ce film.
2. Percez à présent la couche en plusieurs trous cylindriques. La quantité de lumière transmise est alors proportionnelle à la surface ajourée. Toutefois, ceci est vrai tant que la taille des trous est plus grande que la longueur d’onde de la lumière incidente.

• Pour la lumière visible, cela correspond à des longueurs d’onde comprises entre 400 et 700 nm.
• Pour des trous de diamètres plus petits, par exemple 300 nm, la lumière diffusée en transmission devrait être très faible selon les théories établies au milieu de 20^ème siècle.

Inspiré par un article du futur prix Nobel de physique, Serge Haroche, sur l’électrodynamique dans les cavités, Thomas Ebbesen a l’idée de percer un réseau de trous de 300 nm de diamètre dans une couche d’argent. En 1989, il s’agit déjà d’une performance technique, réalisée par des ingénieurs de la société japonaise NEC au sein de laquelle il travaillait.

Transmission optique extraordinaire et antenne à photons

Le résultat obtenu est extraordinaire dans le sens où la lumière traverse le dispositif de manière beaucoup plus importante de ce qui était prédit. L’explication du phénomène n’est pas simple. Et il a fallu presque neuf ans à Thomas Ebbesen et son équipe, dont ce n’était pas le sujet principal d’étude, avant que l’article qui fera référence soit publié dans la revue Nature sous le titre Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays.

Le premier constat est le rôle collectif des trous et de leur organisation : les pics de transmission se produisent pour des longueurs d’onde un peu plus grandes que la période du réseau.

L’image ci-dessus présente ainsi un réseau avec certains trous débouchant formant la formule hv. Celle-ci est bien connue des physiciens puisqu’il s’agit de l’expression de l’énergie d’un photon où h est la constante de Planck, et v la fréquence du photon. Eclairées en lumière blanche, la lettre h transmet le rouge et la lettre grecque v le vert. Cette sélection de couleur est simplement obtenue par le changement de période spatiale entre les trous (respectivement 550 nm et 450 nm).

La mise en réseau des trous permet donc de collecter la lumière bien plus efficacement que de manière individuelle.

• La plaque métallique est conductrice : des électrons peuvent y circuler librement.
• Excités par la lumière, les électrons vont osciller collectivement, formant ce que l’on appelle des « plasmons de surface ».
• La fréquence de résonance de ces plasmons va se caler sur celle du réseau de trous. Quand la lumière excitatrice est à cette fréquence de résonance, chaque trou agit comme une loupe concentrant la lumière et la réémettant à la seconde interface.

Les chercheurs utilisent également l’image de l’entonnoir : au lieu d’être réfléchis par la plaque métallique, les photons glisseraient sur la surface puis tomberaient dans les trous. La lumière transmise est ainsi beaucoup plus importante que la proportion de surface ajourée.

Au-delà du mode plasmonique

La découverte de ce phénomène a passionné toute une communauté de chercheurs qui ont mené de nombreuses expériences et simulations électromagnétiques complémentaires. La transmission optique extraordinaire a ainsi été observée dans l’infrarouge, c’est-à-dire à des longueurs d’onde pour lesquelles le métal serait parfaitement conducteur et l’excitation des plasmons de surface improbable. Afin d’expliquer complètement l’effet observé, au mode plasmonique, il faut ajouter la contribution d’une onde électromagnétique. Elle se propage en surface du métal et elle est très semblable à celle générée par la diffraction des trous sur une plaque parfaitement conductrice.

Applications pour l’optoélectronique

Cette découverte permet d’envisager l’amélioration des performances de la plupart des dispositifs opto-électroniques. Deux caractéristiques sont particulièrement intéressantes :

1. la possibilité de filtrer la lumière et de sélectionner la couleur en changeant la période du réseau, comme cela a été discuté plus haut,
2. la localisation très précise de la lumière transmise.

La transmission optique extraordinaire a en effet pu être mise en évidence non plus sur des réseaux de trous mais sur des dispositifs avec une seule ouverture entourée d’une structure périodique. Comme l’illustre la figure suivante, un tel système peut être utilisé comme antenne pour un photodétecteur ultra-rapide miniaturisé (diamètre du détecteur bien inférieur à la longueur d’onde).

Approfondir le sujet

• Lionel Simonot, Thomas Ebbesen et la transmission optique extraordinaire, 22 octobre 2019, Light ZOOM Lumière
• Vitesse de la lumière, histoire des mesures, reportage vidéo
• Ebbesen et al. « Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays. » Nature 391.6668 (1998): 667.
• Genet, C., Ebbesen, T. W., Light in tiny holes, Nature, 445, pages 39–46 (2007)
• Dahlin, Andreas. (2015). Sensing applications based on plasmonic nanopores: The hole story. The Analyst. 140. 10.1039/c4an02258k
• Ishi, T., Fujikata, J., Makita, K., Baba, T. & Ohashi, K. Si nano-photodiode with a surface plasmon antenna. Jpn J. Appl. Phys. 44, L364–L366 (2005)