Les électrons libres dans les métaux peuvent osciller collectivement, ce qui entraîne un déplacement net de leur charge négative par rapport aux ions positifs du cristal. Cela donne lieu à un dipôle qui interagit fortement avec la lumière. Le quantum d’oscillation du plasma est appelé plasmon et il a été mis en évidence pour la première fois dans les années soixante par spectroscopie optique de couches minces (dix nanomètres d’épaisseur) d’or et d’argent.
Au cours des dix dernières années, l’avènement de la nanofabrication a ouvert de nouvelles perspectives pour étudier les propriétés des plasmons quand les électrons sont confinés dans des particules métalliques de taille nanométrique. Cela a ouvert la voie au domaine de la plasmonique quantique, où la nature quantique des électrons affecte fortement les propriétés du plasmon.
Le groupe QUAD explore la plasmonique quantique dans les semi-conducteurs de faible dimension, où il est possible de décrire précisément les états électroniques en incluant le confinement et l’effet tunnel. Un traitement quantique complet des plasmons confinés dans une couche semiconductrice, allant au-delà des modèles électromagnétiques couramment utilisés, a démontré l’existence de modes d’ordre supérieur qui ont été observés expérimentalement. L’existence de ces modes est une conséquence du confinement électronique, qui transfère le potentiel de confinement des électrons individuels aux excitations collectives.
Le but ultime de cette étude est un contrôle total des propriétés du plasmon et de son interaction avec la lumière par l’ingénierie quantique du potentiel électronique, rendue possible par la technologie des semi-conducteurs.
Des électrons confinés aux plasmons confinés.
Un traitement quantique complet de l’interaction lumière-matière dans un puits quantique de semiconducteur fortement dopé établit un lien clair entre les états d’électrons uniques dans un puits de potentiel (panneau de gauche) et les modes collectifs du gaz d’électrons, caractérisés par un vecteur d’onde quantifié dans la direction de croissance (panneau de droite).
En savoir plus :
Semiconductor Quantum Plasmonics, Physical Review Letter (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.187401
Informations complémentaires :
Laboratoire de Physique de L’Ecole normale supérieure (LPENS, ENS Paris/CNRS/Sorbonne Université/Université de Paris)
Auteur correspondant : Angela Vasanelli Carlo Sirtori
Contact communication : L’équipe de communication
