Un dispositif moléculaire transforme l’infrarouge invisible en lumière visible

Vue artistique des cavités plasmoniques à nanoparticules dans un sillon. Des molécules recouvrent le film d’or et sont prises en sandwich entre le sillon et la nanoparticule de 150 nm de large. Le signal infrarouge d’intérêt provient du dessous du substrat, tandis que le laser de pompe fournissant l’énergie pour la conversion ascendante provient du dessus. Les deux sont focalisés par la cavité sur les molécules, et interagissent avec leurs vibrations internes pour générer une copie upconvertie du signal infrarouge aux fréquences visibles (point lumineux). Crédit : Nicolas Antille (http://www.nicolasantille.com)

Des chercheurs de l’EPFL, de Chine, d’Espagne et des Pays-Bas ont construit un micro-dispositif qui utilise des molécules vibrantes pour transformer la lumière invisible de l’infrarouge moyen en lumière visible. Cette percée ouvre la voie à une nouvelle classe de capteurs compacts pour l’imagerie thermique et l’analyse chimique ou biologique.

La lumière est une onde électromagnétique : elle est constituée de champs électriques et magnétiques oscillants qui se propagent dans l’espace. Chaque onde est caractérisée par sa fréquence, qui correspond au nombre d’oscillations par seconde, mesuré en Hertz (Hz). Nos yeux peuvent détecter des fréquences comprises entre 400 et 750 trillions de Hz (ou térahertz, THz), qui définissent le spectre visible. Les capteurs de lumière des caméras des téléphones portables peuvent détecter des fréquences allant jusqu’à 300 THz, tandis que les détecteurs utilisés pour les connexions Internet par fibres optiques sont sensibles à environ 200 THz.

À des fréquences plus basses, l’énergie transportée par la lumière n’est pas suffisante pour déclencher les photorécepteurs de nos yeux et de nombreux autres capteurs, ce qui est un problème étant donné la richesse des informations disponibles à des fréquences inférieures à 100 THz, le spectre de l’infrarouge moyen et lointain. Par exemple, un corps dont la température de surface est de 20°C émet de la lumière infrarouge jusqu’à 10 THz, qui peut être “vue” avec l’imagerie thermique. De même, les substances chimiques et biologiques présentent des bandes d’absorption distinctes dans l’infrarouge moyen, ce qui signifie que nous pouvons les identifier à distance et de manière non destructive par spectroscopie infrarouge, qui a des myriades d’applications.

Transformer l’infrarouge en lumière visible

Des scientifiques de l’EPFL, de l’Institut de technologie de Wuhan, de l’Université polytechnique de Valence et de l’AMOLF aux Pays-Bas ont mis au point un nouveau moyen de détecter la lumière infrarouge en modifiant sa fréquence pour l’amener à celle de la lumière visible. Ce dispositif permet d’étendre la “vision” des détecteurs de lumière visible très sensibles et couramment disponibles jusque dans l’infrarouge. Cette découverte est publiée dans Science.

La conversion de fréquence n’est pas une tâche facile. La fréquence de la lumière est une donnée fondamentale qui ne peut être facilement modifiée en réfléchissant la lumière sur une surface ou en la faisant passer à travers un matériau, en raison de la loi de conservation de l’énergie.

Les chercheurs ont contourné ce problème en ajoutant de l’énergie à la lumière infrarouge à l’aide d’un médiateur : de minuscules molécules vibrantes. La lumière infrarouge est dirigée vers les molécules où elle est convertie en énergie vibratoire. Simultanément, un faisceau laser de plus haute fréquence frappe les mêmes molécules pour fournir l’énergie supplémentaire et convertir la vibration en lumière visible. Pour stimuler le processus de conversion, les molécules sont prises en sandwich entre des nanostructures métalliques qui agissent comme des antennes optiques en concentrant la lumière infrarouge et l’énergie laser sur les molécules.

En haut à gauche : concept de l’expérience. Le signal infrarouge d’intérêt et un laser de pompage fournissant de l’énergie sont tous deux focalisés sur les molécules et interagissent avec leurs vibrations internes pour générer une copie convertie du signal infrarouge à des fréquences visibles. En bas à gauche : Micrographie électronique à balayage de l’échantillon. Les molécules sont beaucoup trop petites pour être discernables. Elles sont prises en sandwich entre une nanostructure en or et une nanoparticule d’or, qui forment ensemble une cavité plasmonique qui améliore considérablement la focalisation de tous les signaux sur les molécules. À droite : Vue artistique des cavités plasmoniques à nanoparticules dans une rainure convertissant les signaux infrarouges invisibles en lumière visible (point lumineux). Crédit : Nicolas Antille (http://www.nicolasantille.com), Wen Chen, Christophe Galland

Une nouvelle lumière

“Ce nouveau dispositif présente un certain nombre de caractéristiques attrayantes”, explique le professeur Christophe Galland de la Faculté des sciences de base de l’EPFL, qui a dirigé l’étude. “Tout d’abord, le processus de conversion est cohérent, ce qui signifie que toutes les informations présentes dans la lumière infrarouge d’origine sont fidèlement cartographiées sur la lumière visible nouvellement créée. Cela permet de réaliser une spectroscopie infrarouge à haute résolution avec des détecteurs standard comme ceux que l’on trouve dans les appareils photo des téléphones portables. Deuxièmement, chaque dispositif a une longueur et une largeur d’environ quelques micromètres, ce qui signifie qu’il peut être incorporé dans de grands pixels.réseaux. Enfin, la méthode est très polyvalente et peut être adaptée à différentes fréquences en choisissant simplement des molécules ayant des modes vibratoires différents.”

“Jusqu’à présent, cependant, l’efficacité de conversion de la lumière du dispositif est encore très faible”, prévient le Dr Wen Chen, premier auteur des travaux. “Nous concentrons maintenant nos efforts pour l’améliorer encore” – une étape clé vers des applications commerciales.

Référence

Référence : “Continuous-wave frequency upconversion with a molecular optomechanical nanocavity” par Wen Chen, Philippe Roelli, Huatian Hu, Sachin Verlekar, Sakthi Priya Amirtharaj, Angela I. Barreda, Tobias J. Kippenberg, Miroslavna Kovylina, Ewold Verhagen, Alejandro Martínez et Christophe Galland, 2 décembre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abk3106

Autres contributeurs

• Université Friedrich Schiller de Jena