Des structures plasmoniques pour étendre la portée des transferts d’énergies entre émetteurs fluorescents à l’échelle du photon unique

Les transferts d’énergie entre émetteurs fluorescents sont des processus élémentaires observés dans de nombreux domaines, de la biologie à la physique. Cependant, ces processus sont limités à des distances entre émetteurs très courtes, typiquement de l’ordre de quelques nanomètres.

L’équipe animée par V. Krachmalnicoff (Institut Langevin ESPCI Paris, PSL, CNRS) a démontré que, en utilisant un simple film d’argent, il est possible d’augmenter d’un facteur mille l’étendue du transfert d’énergie entre émetteurs fluorescents. Dans ce cas, les ondes électromagnétiques impliquées dans le processus habituel sont remplacées par des plasmons se propageant à l’interface entre la surface d’argent et le milieu environnant (de l’air par exemple, ou une couche de polymère) sur des distances allant jusqu’à plusieurs micromètres pour la lumière visible. Ceci permet d’augmenter considérablement la distance entre les émetteurs. Le travail démontre pour la première fois que la distance sur laquelle a lieu le transfert d’énergie et son efficacité peuvent être fortement augmentés grâce à l’exploitation des plasmons de surface [1].

Dernièrement, l’équipe a montré qu’il est possible d’observer des transferts d’énergie à l’échelle du photon unique sur des distances de plusieurs microns en utilisant des nanofils d’argent [2]. Ces derniers se comportent comme des guides d’ondes pour les plasmons en rendant plus efficace le transfert d’énergie. En couplant un quantum dot unique et des molécules organiques au fil d’argent, l’équipe a observé le clignotement simultané des molécules et du quantum dot, ce qui est un premier pas vers l’observation de phénomènes d’émission collective tel que la superradiance ou la subradiance.

[1] D. Bouchet, D. Cao, R. Carminati, Y. De Wilde, V. Krachmalnicoff, “Long-Range Plasmon Assisted Energy Transfer Between Two Fluorescent Emitters”, Phys. Rev. Lett. 116, 037401 (2016) highlighted as Editors’ Suggestion. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.037401[2] D. Bouchet, S. Ithurria, E. Lhuillier, A. Gulinatti, I. Rech, R. Carminati, Y. De Wilde, V. Krachmalnicoff, “Correlated Blinking of Fluorescent Emitters Mediated by Single Plasmons”, Phys. Rev. A 95, 033828 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.95.033828

Figure (haut): Vue d’artiste du transfert d’énergie entre un quantum dot et un émetteur fluorescent via un plasmon unique se propageant sur un fil d’argent

Figure (bas) intensité de fluorescence détectée sur une caméra EM-CCD.