Contrôler la chaleur à l’échelle nanométrique

Une équipe du Laboratoire international nanotechnologies et nanosystèmes (LN2) a démontré que l’on pouvait contrôler l’évolution des températures dans une nanostructure excitée par un laser à impulsions ultra courtes. L’étude a aussi permis de mieux comprendre ces phénomènes transitoires ultra-rapides. Les résultats sont publiés dans ACS Photonics. Quand une nanoparticule métallique est excitée par des impulsions laser ultra-courtes, elle s’échauffe, mais la distribution de la température dans la nanostructure n’est pas uniforme pendant une courte période d’environ une picoseconde (10^-12s). Une étude publiée dans ACS Photonics et réalisée par une équipe franco-canadienne du Laboratoire international nanotechnologies nanosystèmes (LN2, CNRS/Université de Sherbrooke/Université Grenoble Alpes/INSA Lyon/Centrale Lyon), en collaboration avec le laboratoire Charles Fabry (LCF, CNRS/IOGS/Université Paris-Saclay) et le Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N, CNRS/Université Paris-Saclay), améliore la compréhension de ce régime transitoire, et montre qu’il peut être contrôlé.

Les scientifiques ont étudié les transferts de chaleur dans des nanostructures métalliques en forme de croix dont les bras font 300 à 400 nm de long, fabriquées par une technique de lithographie par faisceau d’électrons. Le dispositif expérimental repose sur une technique de mesure par spectroscopie pompe-sonde: un laser impulsionnel excite le matériau (impulsion pompe), puis l’évolution de la réponse à cette excitation est suivie à l’aide d’une impulsion de plus faible énergie (impulsion sonde). Il permet de n’exciter qu’un axe de la croix, puis de suivre l’évolution de la distribution spatiale de la température dans les deux branches.

L’étude a ainsi mis en évidence le délai temporel, de l’ordre de la centaine de femtosecondes (100.10^-15s), nécessaire pour que le transport de l’énergie s’effectue d’un bras à l’autre de la croix. En jouant sur la polarisation et la longueur d’onde de l’impulsion du laser de pompe, le dispositif permet de contrôler la répartition et le temps de propagation de l’énergie dans la nanostructure. Les chercheurs ont également montré l’importance, dans ce régime transitoire, des électrons formés juste après l’absorption de l’impulsion lumineuse, avant leur interaction avec le réseau cristallin. Cette contribution, qui jusqu’ici n’était pas prise en compte par les simulations, a été ajoutée dans un modèle, avec des résultats conformes aux résultats expérimentaux.

Ces résultats peuvent ouvrir des perspectives pour la réalisation de commutateurs optiques ultra-rapides, et le contrôle de réactions chimiques sensibles à la température à l’échelle nanométrique.

Références

Ultrafast Heat Transfer at the Nanoscale: Controlling Heat Anisotropy
Jean-François Bryche, Marlo Vega, Julien Moreau, Paul-Ludovic Karsenti, Paul Bresson, Mondher Besbes, Philippe Gogol, Denis Morris, Paul G. Charette, and Michael Canva.
ACS Photonics, 2023.
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c01968
Article consultable sur la base d’archives ouvertes HAL