Une paire de paillettes d’or crée un résonateur auto-assemblé

Une paire de paillettes d'or crée un résonateur auto-assemblé

Des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers ont découvert que deux nanoflocons d’or peuvent se connecter l’un à l’autre uniquement par le biais de forces naturelles, pour former une structure nanoscopique polyvalente utile pour explorer de nouveaux phénomènes physiques. Crédit : Université de technologie Chalmers | Yen Strandqvist

Pour explorer les matériaux jusqu’au niveau nanométrique, les chercheurs doivent souvent construire une structure complexe pour abriter les matériaux, un processus long et compliqué. Mais imaginez s’il y avait un moyen pour que la structure puisse simplement se construire. C’est exactement ce que des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers, en Suède, présentent maintenant dans un article de la revue La nature.

L’étude des nanomatériaux révèle des propriétés et des interactions complètement nouvelles. Pour de telles études, différents types de « résonateurs » sont souvent nécessaires, des objets à l’intérieur desquels la lumière rebondit, un peu comme le son rebondit à l’intérieur du corps d’une guitare. Aujourd’hui, des chercheurs travaillant au département de physique de l’Université de technologie Chalmers ont découvert comment une forme connue de résonateur composé de deux miroirs parallèles peut être créée et contrôlée d’une manière beaucoup plus simple qu’on ne le pensait auparavant.

« Créer un résonateur stable et de haute qualité, comme nous l’avons fait, est généralement compliqué et nécessite de nombreuses heures en laboratoire. Mais ici, nous l’avons vu se produire de lui-même, réagissant aux forces naturelles et ne nécessitant aucun apport d’énergie externe. Vous pourriez pratiquement fabriquer notre résonateur dans votre propre cuisine : il est créé à température ambiante, avec de l’eau ordinaire et un peu de sel », explique le directeur de recherche Timur Shegai, professeur agrégé au Département de physique, lui-même surpris par la nature de la découverte en laboratoire.

Un système d’auto-assemblage et de croissance

Ce que lui et ses collègues ont observé, c’est que lorsque deux minuscules paillettes d’or – 5 000 nanomètres de diamètre et seulement 30 nanomètres d’épaisseur – se rencontrent dans une solution aqueuse salée, une interaction se produit qui les amène à former une paire. Les deux paillettes d’or sont toutes deux chargées positivement car la solution aqueuse les recouvre de doubles couches d’ions. Cela provoque une force électrostatique répulsive, mais, en raison de l’influence simultanée de l’effet Casimir, une force d’attraction est également créée et un équilibre stable apparaît, laissant une distance entre les flocons d’environ 150 nanomètres. Les deux nanoflocons s’orientent l’un en face de l’autre, avec une cavité formée entre eux, et ils restent stables dans cet arrangement pendant des semaines d’observations. La cavité fonctionne alors comme un résonateur optique, un dispositif qui offre de nombreuses possibilités d’explorer divers phénomènes physiques.

Une fois que les paillettes d’or ont formé une paire, elles restent en place, et si elles ne sont pas séparées activement, de plus en plus de pièces d’or se cherchent et forment un groupe plus important. Cela signifie que la structure, uniquement grâce à des forces naturelles, peut se développer et créer des opportunités plus intéressantes pour les chercheurs.

La structure peut être manipulée davantage en ajoutant plus de sel à la solution aqueuse, en modifiant la température ou en l’éclairant avec des lasers, ce qui peut conduire à des observations fascinantes.

« Ce qui est si intéressant dans ce cas, c’est qu’il y a des couleurs qui apparaissent à l’intérieur du résonateur. Ce que nous voyons est essentiellement une couleur auto-assemblée. Cela combine beaucoup de physique intéressante et fondamentale, mais en même temps, c’est très facile Parfois, la physique peut être si surprenante et si belle », explique Timur Shegai.

Une paire de paillettes d'or crée un résonateur auto-assemblé

Lorsque deux minuscules paillettes d’or se rencontrent dans une solution aqueuse salée, une interaction se produit qui les amène à former une paire. Ils sont tous deux chargés positivement car la solution aqueuse les recouvre de doubles couches d’ions (rouge et bleu). Cela provoque une force électrostatique répulsive, mais, en raison de l’influence simultanée de quelque chose appelé « effet Casimir », une force d’attraction est également créée et un équilibre stable apparaît. Les deux nanoflocons s’orientent l’un en face de l’autre, avec une cavité formée entre eux, et ils restent stables dans cet arrangement pendant des semaines d’observations. Cette cavité fonctionne alors comme un résonateur optique, un dispositif qui offre un système accordable pour étudier les combinaisons de lumière et de matière appelées polaritons. Crédit : Université de technologie Chalmers | Denis Baranov et Yen Strandqvist

Étudier le point de rencontre entre la lumière et la matière

La structure peut alors être utilisée comme une chambre pour étudier les matériaux et leur comportement. En plaçant un matériau bidimensionnel de seulement quelques couches atomiques dans la cavité ou en ajustant la cavité, il est également possible de créer des polaritons, des particules hybrides qui permettent d’étudier le point de rencontre entre la lumière et la matière.

« Notre structure peut désormais être ajoutée à la boîte à outils globale des méthodes d’auto-assemblage. Grâce à sa polyvalence, elle pourrait être utilisée pour étudier à la fois la physique fondamentale et appliquée », explique Battulga Munkhbat, post-doctorant au Département de physique et premier auteur de l’article.

Selon les auteurs de l’étude, il n’y a aucun obstacle à ce que la structure soit agrandie pour utiliser des paillettes d’or plus grosses visibles à l’œil nu, ce qui pourrait ouvrir encore plus de possibilités.

« À l’avenir, je pourrais voir cette plate-forme être utilisée pour étudier les polaritons d’une manière plus simple qu’aujourd’hui. Un autre domaine pourrait être de tirer parti des couleurs créées entre les paillettes d’or, par exemple en pixels, pour créer différents types de Des valeurs RVB, où chaque couleur pourrait être vérifiée pour différentes combinaisons. Il pourrait également y avoir des applications dans les biocapteurs, l’optomécanique ou la nanorobotique », explique Timur Shegai.

L’article « Tunable self-assembled Casimir microcavities and polaritons » a été publié dans La nature.


Les cavités optiques auto-assemblées peuvent atteindre un état de couplage fort qui prend en charge la formation de polaritons


Plus d’information:
Battulga Munkhbat et al, Microcavités et polaritons Casimir auto-assemblés accordables, La nature (2021). DOI : 10.1038 / s41586-021-03826-3

Fourni par l’Université de technologie Chalmers

Citation: Une paire de paillettes d’or crée un résonateur auto-assemblé (2021, 2 décembre) récupéré le 2 décembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-12-pair-gold-flakes-self-assembled-resonator.html

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