Équipe du Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire (LPQM) UMR CNRS 8537 - ENS Cachan

Nanophotonique et nanothermique ultrarapides

Cette équipe de l'École Centrale Paris, intégrée à son Centre de Recherche depuis septembre 2010, est rattachée au LPQM et à l’Institut d’Alembert de l’ENS Cachan et du CNRS.

Thèmes de recherche

• Plasmonique ultra rapide dans les nanoparticules métalliques

Les nanoparticules de métaux nobles présentent des propriétés optiques remarquables liées au phénomène de résonance de plasmon. De ces propriétés découlent de très nombreux développements actuels dans le domaine de la plasmonique. Pour mieux comprendre les processus physiques mis en jeu dans celle-ci, il est pertinent d’en étudier la dynamique suite à une excitation par une impulsion lumineuse. Cette thématique s’appuie donc sur le développement de méthodes de modélisation adaptées aux différentes échelles de temps impliquées et sur la mise en œuvre de techniques de spectroscopie laser ultrarapide.

• Transferts thermiques photo-induits aux petites échelles de temps et d'espace

Il s’agit, d’une part, d’étudier la génération optique de chaleur et son transport à l’échelle nanométrique et aux temps courts, où les approches classiques ne sont plus valides. D’autre part, il est possible de structurer la matière de manière à rendre cohérente une excitation thermique, par exemple en utilisant le phénomène de phonon-polariton couplé à une cavité photonique. Ce thème est développé dans l’équipe en partenariat avec l’équipe de S. Volz au laboratoire EM2C.

• Nanosources de chaleur pour la chimie et la biologie

Les nanoparticules métalliques sous irradiation lumineuse ont la capacité de se comporter comme des sources nanométriques de chaleur. Ce processus de conversion peut être mis à profit dans divers domaines, en particulier pour la réalisation de fonctions optiques, chimiques ou biologiques. On peut ainsi envisager des matériaux ou des dispositifs dont la fonctionnalité est uniquement activée par la lumière. À travers nos collaborations, nous développons plusieurs projets tournés vers des applications biomédicales (amélioration du ciblage de cellules cancéreuses par des nano-hybrides pour un traitement par hyperthermie localisée, liposomes plasmoniques pour la délivrance ciblée de médicaments).

• Nanoconversion lumière-chaleur : applications photoniques

Grâce au phénomène de résonance de plasmon localisé, il est possible d’injecter efficacement et très rapidement de l’énergie dans des nano-objets métalliques. De par la succession de mécanismes d’échanges et de relaxation qui s’ensuivent, les propriétés optiques du milieu composite dans lequel sont dispersées ces nanoparticules sont modifiées de manière transitoire. En jouant à la fois sur ces modifications photo-induites à l’échelle nanométrique et le conditionnement du milieu composite dans des dispositifs structurés à l’échelle de la longueur d’onde (cavité électromagnétique, cristal photonique), on peut réaliser des fonctions photoniques contrôlées optiquement. Ce principe peut être étendu au domaine de l’optique non-linéaire : des capteurs ultrasensibles peuvent alors être envisagés.

Domaines d'application

• Utilisation des nanoparticules métalliques dans la thérapie contre le cancer par nanohyperthermie.
• Optimisation d’autres types d’applications biologiques comme la délivrance ciblée de substances actives, la photo-actuation en microfluidique, les capteurs moléculaires ultrasensibles, l’imagerie photothermique. Exploitation également de ces propriétés dans le domaine de la photonique ultrarapide.

Faits marquants

• Nano-soudure de bâtonnets d’or

Grâce à l’interaction entre les molécules stabilisant habituellement les nanobâtonnets d’or produits chimiquement en solution et un co-polymère statistique, nous avons réalisé en collaboration avec des chimistes l’auto-assemblage de tels nanobâtonnets et leur soudure bout à bout afin d’obtenir des nanofils de plusieurs micromètres de longueur et d’une dizaine de nanomètres de diamètre (Fig. 1). Le suivi de l’auto-assemblage a été mené par spectroscopie optique en temps réel. Cette technique de soudure nanométrique ouvre des perspectives prometteuses pour la photovoltaïque et la nano-électronique.

Figure 1. Images en microscopie électronique en transmission conventionnelle (haut) et à haute résolution (bas) d’une chaîne de nanobâtonnets d’or obtenue par soudure chimique froide. Coll. LPS (Orsay) et PPMD (Paris). L’encart présente le suivi optique de l’auto-assemblage.

• Modulation optique ultrarapide par couplage plasmonique-photonique

Après avoir démontré théoriquement la possibilité d’amplifier la réponse optique transitoire ultrarapide de nanoparticules métalliques grâce au couplage de leur plasmon localisé et de modes d’une cavité photonique (Fig. 2), nous avons obtenu des résultats expérimentaux confirmant la pertinence de notre approche. Les échantillons, élaborés par ablation laser dans le groupe de J. Gonzalo à l’Instituto de Optica (CSIS, Madrid), consistent en une couche nanocomposite conditionnée entre deux miroirs diélectriques multicouches (23 films minces superposés au total). La réponse transitoire, mesurée au LPQM sur des échelles de temps ultracourtes, présente une amplification d’un facteur 40 par rapport à celle d’un simple film mince nanocomposite.
Figure 2. Dispositif constitué de nanoparticules d’or en cavité photonique 1D (à gauche). Modulation ultrarapide du mode de cavité photonique suite à l’absorption d’une impulsion lumineuse ultracourte (à droite).

• Couplage en champ proche et champ lointain dans la réponse de réseaux 2D de nanoplots d’or

Par ailleurs, nous avons publié des résultats concernant la réponse optique de réseaux 2D organisés de nanoplots d’or dans lesquels les couplages électromagnétiques en champ proche et en champ lointain jouent un rôle important [2]. Ce type de nano-dispositif peut être envisagé par exemple pour la réalisation de capteurs biochimiques ultrasensibles. Les mesures en régime stationnaire ont été réalisées en collaboration avec l’Institut d’Électronique Fondamentale (CNRS-université Paris Sud) sur des échantillons élaborés par nano-lithographie électronique au Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (CNRS, Marcoussis). Nos simulations numériques par l’approximation des dipôles discrets (DDA) sont en très bon accord avec les résultats expérimentaux (Fig. 3) et permettent de comprendre le rôle du couplage électromagnétique, des effets de retard en champ proche, et de l’amortissement par radiation ou dissipation.

Figure 3. (a) Caractéristiques de la résonance de plasmon localisé (amplitude, longueur d’onde et largeur spectrale) en fonction de la distance entre chaînes de nanoplots d’or organisés à deux dimensions. Résultats de calculs (approximation des dipôles discrets) et de mesures optiques, en fonction de la polarisation du champ incident. Coll. LPN (Marcoussis) et IEF (Orsay). (b) Topographie du champ électromagnétique dans un réseau 2D de plots d’or (calculs).

• Réponse thermo-optique de nanoparticules d’argent

En collaboration avec des collègues d’une université iranienne, nous avons modélisé la réponse thermo-optique de nanoparticules d’argent [3]. Nous avons pu ainsi démontrer que cette réponse est dominée par des transitions électroniques de type interbandes ou intrabandes selon le domaine spectral, ainsi que l’effet d’exaltation du champ électromagnétique local à la résonance de plasmon.

[1] Photothermal properties of gold nanoparticles, B. Palpant, in “Gold nanoparticles for physics, biology and chemistry”, Chap. 4, ed. C. Louis and O. Pluchery, (Imperial College Press, London, 2012).

[2] Near- and far-field effects on the plasmon coupling in gold nanoparticle arrays, X. Wang, Ph. Gogol, E. Cambril, and B. Palpant, J. Physical Chemistry C 116, 24741−24747 (2012).

[3] Thermo-optical properties of embedded silver nanoparticles, M. Rashidi Huyeh, M. Shirdel Havara and B. Palpant, J. Appl. Phys. 112, 103101 (2012).

Exemples de travaux