Sciences

Les plasmons, des particules quantiques pour l'électronique

ActualitéClassé sous :physique , plasmon , mécanique quantique

Les plasmons sont des analogues des phonons en mécanique quantique mais dans les gaz d'électrons libres à l'intérieur des métaux. Ils permettent de développer une branche de la nanophotonique appelée plasmonique. On vient de vérifier qu'ils se comportent bien comme des particules quantiques en bonne et due forme. Rien ne s'opposerait donc à ce qu'ils puissent être utilisés pour faire des calculs quantiques.

Dans une lampe à plasma comme celle-ci, les atomes d'un gaz se retrouvent ionisés par des décharges électriques. On est donc en présence, comme son nom l'indique, d'un plasma. Des ondes de densité de charge peuvent s'y former, analogues à celles qui existent dans les métaux. On donne le nom de plasmons aux excitations quantiques correspondant aux ondes de densité de charge. © PiccoloNamek, Wikipédia, cc by sa 3.0

La plasmonique est une jeune discipline que l'on rattache au domaine de la nanophotonique, c'est-à-dire l'étude de la lumière lorsqu'elle entre en interaction avec des structures matérielles nanométriques de taille inférieure à sa longueur d'onde. Il s'agit donc d'un mariage entre l'optique des milieux matériels et la nanotechnologie. Remarquablement, même si l'on peut dater les premiers développements de la science de la plasmonique du début du XXe siècle, on trouve des traces d'un savoir empirique à son sujet au moins depuis l'Antiquité, avec l'exemple bien connu de la coupe de Lycurgue (IVe siècle après J.-C.), conservée au British Museum. Son verre contient des nanoparticules d'or et d'argent, ce qui a comme conséquence que la coupe apparaît verte et opaque quand elle est éclairée de l'extérieur, mais rouge-orange et transparente quand elle est éclairée de l'intérieur.

Au fait, qu'est exactement la plasmonique ? Pour le comprendre, il faut remonter aux travaux de Paul Drude sur la conduction électrique des métaux et de Gustav Mie sur l'interaction des ondes électromagnétiques avec des sphères diélectriques et métalliques. Ils permettent de considérer ce qui se passe lorsque la lumière entre en interaction avec des métaux dont ils modélisent la conduction en admettant l'existence d'un gaz d'électrons libres entre les noyaux formant des réseaux cristallins. Ce gaz d'électrons soumis à des forces peut voir sa densité de charge osciller, si bien que des ondes analogues aux ondes sonores peuvent s'y former. On les appelle des ondes de Langmuir, du nom de leur découvreur, le physicien Irving Langmuir.

Irving Langmuir (1881-1957) était un chimiste et physicien états-unien, lauréat du prix Nobel de chimie en 1932. Il introduisit en 1928 le terme de « plasma » pour désigner les gaz ionisés. © Wikipédia, DP

Des ondes de Langmuir aux plasmons de surface

Ces ondes existent aussi dans un plasma formé d'atomes ionisés et d'électrons. Lorsque les noyaux d'un réseau cristallin oscillent sous l'action de forces, cela se traduit par la propagation d'une onde sonore. Or, d'après les lois de la mécanique quantique, l'énergie portée par les ondes sonores doit se trouver sous la forme de paquets d'énergie que l'on appelle des phonons. Dans le cas des ondes de Langmuir, les lois de la mécanique quantique imposent elles aussi la quantification de leur énergie, de sorte que l'on voit apparaître des plasmons, l'équivalent des phonons pour un gaz de particules chargées.

La plasmonique est donc la théorie du comportement des plasmons dans un milieu matériel en interaction avec la lumière, plus précisément de nos jours lorsqu'on se retrouve dans les conditions d'application de la nanophotonique. On s'intéresse beaucoup depuis quelque temps aux plasmons de surface, c'est-à-dire ceux qui se forment à la surface d'un matériau métallique. Il s'agit donc des quanta d'énergie des ondes de densité d'électrons qui se propagent le long de l'interface d'un métal avec le vide ou un autre matériau, à la façon des vaguelettes qui parcourent la surface d'une mare lorsqu'on y jette un caillou. En effet, on s'est rendu compte que ces plasmons ouvrent la voie à des dispositifs optroniques plus performants, c'est-à-dire des microprocesseurs plus rapides et des capteurs plus sensibles pour la chimie et la biologie, par exemple avec des biopuces optiques.

Plasmons de surface et effet Hong-Ou-Mandel

Aussi incroyable que cela puisse paraître, personne n'avait jusqu'ici démontré que les plasmons étaient bien des particules quantiques à part entière. La quantification de leur énergie était établie, mais pouvait-on bien les utiliser pour faire des expériences d'interférence et de diffraction avec les amplitudes de probabilité qui doivent être associées à tous les quantons (terme introduit par le physicien et épistémologue Mario Bunge pour décrire les particules quantiques, qu'elles soient de matière, de force ou des quasiparticules comme les phonons ou les excitons) ? La question est particulièrement importante si l'on veut essayer de faire des calculs quantiques avec des qubits que porteraient des composants relevant de la plasmonique.

Une équipe de chercheurs du California Institute of Technology a voulu en avoir le cœur net. Pour cela, comme les physiciens l'expliquent dans un article publié dans Nature Photonics, ils ont réalisé à la surface d'une puce en silicium l'équivalent d'un interféromètre de Hong-Ou-Mandel. Ce dispositif permet de montrer l'effet de l'interférence des amplitudes de probabilité quantiques avec deux photons ou d'autres quantons.

Il s'est avéré que les plasmons de surface se comportaient bien dans l'interféromètre de Hong-Ou-Mandel comme d'authentiques quantons. On peut donc imaginer que des ordinateurs quantiques pourraient voir le jour à l'aide de la plasmonique.

Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités chaque jour.

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !

Cela vous intéressera aussi