Une plateforme optique pour fabriquer et étudier les nanostructures

La lumière du Soleil peut, en passant par une loupe, enflammer une feuille de papier. De manière similaire, un faisceau laser focalisé est capable de couper certains matériaux. Ce principe est déjà largement utilisé à l’échelle industrielle. Mais la finesse des faisceaux lasers permet également de graver des motifs de taille nanométrique. 

Si ces techniques de « lithographie laser » existent déjà, une collaboration menée par une équipe du LSI est allée plus loin en combinant sur une seule plateforme la fabrication de nanostructures dans de minces films métalliques et leur caractérisation in situ. A terme, cela pourrait conduire à des technologies de nano-fabrication rapides et moins chères. 

Le faisceau de lumière utilisé pour l’expérience est produit par un laser créant des impulsions ultra-courtes, de l’ordre du millionième de milliardième de seconde (soit une femtoseconde). 

Une plateforme 3 en 1

Les chercheurs ont ainsi créé des cavités en séparant un film métallique (comme du nickel, du fer, ou un assemblage multicouche) d’un substrat isolant. « En changeant la taille et les caractéristiques du faisceau laser femtoseconde, il est possible de façonner la structure, et notamment la courbure de la cavité » explique Vasily Temnov, physicien au LSI, qui a notamment travaillé avec deux étudiants de Bachelor de l’École polytechnique en Projet de Recherche en Laboratoire (PRL), Akira Barros et Aditya Swaminathan.

Trois méthodes de caractérisations de ces structures ont pu être implémentées sur la même expériences : une technique de microscopie par interférométrie, qui permet d’observer la formation de ces structures, une technique de microscopie photo-acoustique, afin d’étudier notamment la vibration des cavités, et la microscopie magnéto-plasmonique. Cette dernière technique permet, grâce à un faisceau laser et un champ magnétique, de sonder des états collectifs des électrons, les plasmons, très délicats à observer dans ces nanostructures. C’est la première expérience réussissant à mêler tous ces aspects.

Ce travail ouvre la voie à l’étude fondamentale des excitations des quasiparticules diverses (phonons, plasmons, magnons etc.) dans ces structures nanométriques, avant d’envisager pourquoi pas des applications possibles, comme des capteurs de pression ou de champ magnétiques intégrés sur puce.

De gauche à droite, Pavel Varlamov, Akira Baros, et Aditya Swaminathan, premiers auteurs de l'article.

Référence de la publication :

Femtosecond-Laser-Delamination Cavities for Resonant Acousto-Magneto-Plasmonics P. Varlamov, A. Barros, A. Swaminathan, et al., Physical Review Letters, 2025 DOI: https://doi.org/10.1103/99sl-xxb2

*LSI : une unité mixte de recherche CEA, CNRS, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France