Un dispositif nanométrique constitué de nanospirales en or a la propriété de renvoyer une lumière bleue quand il est éclairé avec de la lumière infrarouge polarisée. De quoi imaginer des applications pour lutter contre la contrefaçon.
Dans un futur proche, votre carte d’identité pourrait être quasi infalsifiable grâce à une petite zone, invisible à l’œil nu, couverte de nanospirales en or. Ces petites structures réémettent de la lumière bleue lorsqu’elles sont éclairées avec un laser infrarouge. Une carte qui ne brille pas sous la lumière du laser serait donc une contrefaçon. Mais avant d’en arriver aux applications, il faut mieux caractériser le signal émis par ces nanospirales d’or. C’est ce qu’ont fait Roderick Davidson et ses collègues, de l’université Vanderbilt, aux États-Unis.
Les spirales d’or en question sont des spirales dites d’Archimède : la distance d’un point de la spirale au centre est proportionnelle à l’angle d’enroulement, et ici, la distance entre deux sillons est constante (comme dans les disques vinyles). Les chercheurs ont conçu des nanospirales en or dont l’enroulement fait deux tours, pour un diamètre total de 395 nanomètres et une épaisseur de 40 nanomètres.
En éclairant une plaque de verre recouverte de ces spirales avec un laser infrarouge de 800 nanomètres de longueur d’onde, ils obtiennent en réponse un signal lumineux dont une partie se situe à 400 nanomètres de longueur d’onde. Les matériaux optiques sont très souvent non-linéaires, c’est-à-dire qu’ils ne réémettent pas seulement dans la même longueur d’onde que le signal incident, mais aussi à la moitié, au tiers, etc., de cette longueur d’onde. Mais ces réponses non linéaires sont souvent très faibles. De nombreux cristaux sont connus pour diviser par deux la longueur d’onde (ou de façon équivalente, doubler la fréquence, d’où leurs nom de doubleur de fréquence). Mais ces nanospirales d’or émettent quatre fois plus de lumière bleue par unité de volume que le cristal le plus performant (le beta-borate de baryum) !
Le choix de la spirale n’est pas anodin. Lorsque le matériau présente une symétrie centrale, certaines composantes non linéaires s’annulent. Ce n’est pas le cas avec une spirale. Lorsqu’on éclaire une nanospirale d’or avec de la lumière à 800 nanomètres de longeur d’onde, celle-ci excite les électrons du métal. Du fait de l’étroitesse des bras de la spirale, les électrons se déplacent le long de ceux-ci et une partie des charges s’accumule au centre, d’où elles émettent une lumière bleue à 400 nanomètres.
Pour intensifier cette émission bleue, il faut accumuler les électrons au centre de la spirale. C’est possible en polarisantla lumière du laser. La polarisation caratérise l’orientation du champ électrique de l’onde lumineuse. La configuration la plus efficace ici est une polarisation circulaire, où l’orientation du champ électrique tourne autour de la direction de propagation. Une lumière polarisée de la sorte accompagne les électrons sur une trajectoire quasi circulaire le long de la spirale vers le centre, si bien que l’émission bleue est alors plus intense. Une polarisation circulaire de sens opposé ou rectiligne, en revanche, disperse une part des électrons sur les bords de la spirale, et l’émission bleue est alors plus faible car les différentes sources d’émission interférent les unes avec les autres.
Ce dispositif est intéressant mais des questions subsistent. La réponse non linéaire est faible, probablement noyée dans la composante linéaire à 800 nanomètres de longueur d’onde. Pour l’augmenter, il faudrait accroître l’énergie du laser. Or, si les spirales ne dissipent pas assez l’énergie : elles fondent. Un compromis entre ces deux contraintes reste à trouver pour obtenir un signal exploitable sans détruire le dispositif. Par ailleurs, si la quantité d’or nécessaire à la fabrication des nanospirales est faible, la technique de lithographie par faisceau d’électrons coûte cher. Autant de points à régler avant de voir apparaître des cartes d’identité ou des cartes de crédit infalsifiables.
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