Une nanoantenne pour détecter des sources lumineuses ponctuelles infrarouges
Bien que produits par milliards, les quantum-dots ou boîtes quantiques, sont des nanosources lumineuses difficiles à détecter individuellement, en particulier quand ils émettent dans l’infrarouge. Des chercheurs du laboratoire Femto-ST ont développé une nanoantenne, intégrée sur fibre optique, qui permet de les localiser un à un. Ces travaux sont publiés dans la revue Nano Letters.
Les quantum-dots sont des sources lumineuses si petites qu’elles n’émettent qu’un seul photon à la fois. Leur taille de quelques nanomètres leur confère des propriétés uniques : la longueur d’onde de la lumière qu’ils émettent change en fonction de leur taille. En revanche, leurs très faibles dimensions les rendent difficiles à détecter individuellement, un phénomène encore plus marqué dans les domaines d’émission infrarouge. Des chercheurs de l’Institut Femto-ST (CNRS/Université Technique Belfort-Montbéliard/Université de Franche-Comté/ENS2M) ont récemment conçu une nanoantenne qui permet, pour la toute première fois, de les imager et de les caractériser.
Ils se sont en particulier intéressés aux quantum-dots colloïdaux, c’est-à-dire en suspension dans un liquide, qui ont l’immense avantage d’être stables à température ambiante. Exposés à de la lumière visible, ces quantum-dots produisent des photons infrarouges. La nanoantenne développée est capable à la fois d’éclairer un quantum-dot unique, mais aussi de collecter le photon infrarouge émis. Cette nanoantenne est fabriquée au bout d’une fibre optique qui permet le transport des photons jusqu’au détecteur avec un minimum de pertes. L’ensemble a été utilisé dans un microscope optique en champ proche à balayage, qui a permis la localisation des quantum-dots avec une précision de quelques dizaines de nanomètres. Ces travaux compatibles avec les longueurs d’ondes télécom ouvrent diverses perspectives, notamment dans la cryptographie quantique.
Ces travaux sont soutenus par le Laboratoire d’excellence ACTION.
À gauche : vue artistique d’une nano-antenne à double résonance sur pointe fibrée qui vient au voisinage proche d’un échantillon de quantums dots colloïdaux déposés sur une lame de verre. Les quantums dots (sources ponctuelles fluorescentes) sont représentés par des points rouges. Le halo lumineux jaune représente la capacité de la nano-antenne à concentrer la lumière sur un quantum dot unique de manière à accroître son signal de fluorescence. Les flèches verte et rouge indiquent que l’éclairement local du quantum dot et la collection du signal photonique réémis sont réalisés par la pointe fibrée, à travers la nano-antenne.
À droite : banc de nano-imagerie fibré s’affranchit de toutes les limites des microscopes classiques et a ainsi permis pour la première fois l’imagerie et la caractérisation de quantum dot PbS émettant aux longueurs d’ondes des télécommunications (l =1500 nm)
Références :
Doubly Resonant Photonic Antenna for Single Infrared Quantum Dot Imaging at Telecommunication Wavelengths
Zhihua Xie, Yannick Lefier, Miguel Angel Suarez, Mathieu Mivelle†, Roland Salut, Jean-Marc Merolla & Thierry Grosjean
Nano Letters, 17 (4), pp 2152–2158 (2017)
DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04403