Un micro-dispositif moléculaire révèle la lumière infrarouge
Des chercheuses et chercheurs de Chine, d’Espagne, des Pays-Bas et de Suisse ont créé un micro-dispositif utilisant des molécules vibrantes pour convertir la lumière infrarouge en lumière visible.
La lumière est une onde électromagnétique constituée de champs électriques et magnétiques oscillants qui se propagent dans l’espace. Chaque onde est caractérisée par sa fréquence : les yeux humains peuvent détecter des fréquences comprises entre 400 et 750 THz – le spectre visible -, les capteurs des caméras embarquées dans les smartphones, des fréquences allant jusqu’à 300 THz, par exemple.
Vue artistique des cavités plasmoniques à nanoparticules dans un sillon. Crédit : Nicolas Antille
Mais aucun de ces détecteurs ne peut détecter les ondes aux fréquences inférieures à 100 THz – l’infrarouge moyen et lointain -, une zone du spectre pourtant riche en informations (corps dont la température de surface est de +20 °C, substances chimiques et biologiques caractérisées par des bandes d’absorption distinctes…).
Des scientifiques de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (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 une nouvelle méthode pour détecter la lumière infrarouge en modifiant sa fréquence pour qu’elle corresponde à celle de la lumière visible. Cette méthode a fait l’objet d’une publication dans la revue Science.
Les chercheuses et chercheurs ont contourné le problème de la conversion de fréquence en ajoutant de l’énergie à la lumière infrarouge avec un médiateur, en fait de minuscules molécules vibrantes. La lumière infrarouge est dirigée vers ces molécules où elle est convertie en énergie vibratoire. Simultanément, un faisceau laser de fréquence plus élevée frappe ces mêmes molécules pour fournir l’énergie supplémentaire et convertir la vibration en lumière visible. Pour exalter 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. En bas à gauche : micrographie électronique à balayage de l’échantillon. Crédits: Wen Chen, Christophe Galland
« Le nouveau dispositif présente plusieurs caractéristiques intéressantes. D’abord, le processus de conversion est cohérent, ce qui veut dire que toutes les informations présentes dans la lumière infrarouge d’origine sont fidèlement reproduites dans la lumière visible nouvellement créée. Il permet de réaliser une spectroscopie infrarouge à haute résolution avec des détecteurs standard comme ceux que l’on trouve dans les caméras des téléphones portables », explique le professeur Christophe Galland, de la Faculté des sciences de base de l’EPFL, qui a dirigé l’étude.
« Ensuite, chaque dispositif a une longueur et une largeur de quelques micromètres, ce qui signifie qu’il peut être incorporé dans de grandes matrices de pixels. Enfin, la méthode est très polyvalente et peut être adaptée à différentes fréquences. Il suffit de choisir des molécules ayant des modes vibratoires différents », poursuite le professeur. Mais « jusqu’à présent, l’efficacité du dispositif à convertir la lumière est encore très faible, prévient le docteur Wen Chen, principal auteur des travaux. Nous nous efforçons de l’améliorer », une étape essentielle vers une nouvelle catégorie de capteurs compacts destinés à l’imagerie thermique et à l’analyse chimique ou biologique commerciales.
