férence résulte de leur très grande
densité électronique (5×1022 cm−3)
comparée à celle mise en jeu dans les
semi-conducteurs (typiquement 1018
cm−3). Dans les métaux de taille
nanométrique, les propriétés électro-
niques font donc intervenir des états
quantifiés de haute énergie, proches
du niveau de Fermi. Leur séparation
énergétique est faible par rapport à
leur largeur et à l’énergie thermique
(à température ambiante). Avec une
très bonne approximation, ils peu-
vent donc être assimilés à un quasi-
continuum d’états similaire à celui
du métal massif.
Les propriétés optiques sont ce-
pendant fortement modifiées. Les
couleurs vives et variables que l’on
obtient en dispersant des nanoparti-
cules métalliques dans une matrice
de verre sont connues empirique-
ment depuis des siècles. Cet effet a
été exploité notamment pour la fa-
brication de vitraux mais étudié seu-
lement au XIXesiècle par Faraday. Il
est lié à l’apparition d’une résonance
dans le spectre d’absorption des
agrégats : la résonance plasmon de
surface. Pour des petites sphères
d’argent (d50 nm) dans un verre,
elle se situe dans le bleu autour de
420 nm et est responsable de la cou-
leur jaune du matériau composite. La
description théorique de ce phéno-
mène a été réalisée par Mie au début
du XXesiècle. Pour des tailles suffi-
samment faibles par rapport à la lon-
gueur d’onde optique (dλ/10), il
peut être simplement relié au dépla-
cement des électrons des agrégats
sous l’action du champ électrique de
l’onde optique. La densité électro-
nique de chaque agrégat oscille alors
à la fréquence optique par rapport
aux ions du réseau, induisant une
charge oscillante à leur surface.
Celle-ci génère une force de rappel
et un champ électrique dipolaire qui
vont rétroagir sur le mouvement
électronique et l’amplitude du
champ électrique. A la résonance,
l’amplitude de ce dernier est particu-
lièrement renforcée dans les agré-
gats. La réponse optique du milieu,
diffusion ou absorption, est alors for-
tement augmentée.
Dans les métaux nobles (or, ar-
gent, cuivre), la réponse électronique
est modélisée très simplement en
assimilant les électrons de conduc-
tion à des électrons libres de densité
ne, et en faisant intervenir unique-
ment les premières bandes électro-
niques pleines, les bandes d. La
réponse optique comporte deux
types de contributions : celle due aux
électrons de conduction, associée à
l’absorption optique intrabande,
c’est-à-dire l’absorption par des por-
teurs libres, et celle due à l’absorp-
tion entre bandes électroniques
(encadré 1). Dans les agrégats métal-
liques nanométriques, le modèle de
structure de bandes du milieu massif
peut encore être utilisé pour décrire
les deux types de transitions. La fré-
quence de la résonance plasmon de
surface est alors donnée par
=ωpεib
1() +2εmoù εib
1
est la partie réelle de la constante
diélectrique liée aux transitions in-
terbandes et εmcelle de la matrice.
ωpest la fréquence plasma : ω2
p=
nee2/ε0me. La simplicité de cette
description fait des métaux nobles
des systèmes modèles sur lesquels se
sont focalisées les études.
SPECTROSCOPIE FEMTOSECONDE
La plupart des expériences résolues
en temps dans les métaux ont été
réalisées en utilisant une technique
de type pompe–sonde (encadré 1).
Une première impulsion optique
femtoseconde injecte sélectivement
de l’énergie dans le gaz d’électrons
par absorption intrabande en un
temps plus court que les temps ca-
ractéristiques de redistribution de
l’énergie. On crée ainsi une distri-
bution électronique athermale qui va
évoluer en un temps τe−ede
quelques centaines de femtose-
condes vers une distribution de
Fermi-Dirac à une température Te
supérieure à la température initiale
T0par interaction électron-électron
(figure 1). Les élévations maximales
de la température électronique sont
typiquement de quelques dizaines à
un millier de kelvins. Pendant et
après l’établissement de la tempéra-
ture électronique, de l’énergie est
transférée vers le réseau par interac-
tion électron-phonon, conduisant à
une thermalisation électron-réseau,
c’est-à-dire à la thermalisation de la
nanoparticule, en typiquement
τe−r≈1ps. L’énergie est finale-
ment transférée à l’environnement à
l’interface métal–matrice, sur une
échelle de temps τr−mplus longue,
de l’ordre de quelques ps à quelques
centaines de picosecondes.
Les différentes étapes du retour à
l’équilibre sont suivies en utilisant
une seconde impulsion femtose-
conde, de faible intensité et retardée
temporellement par rapport à la pre-
mière. Elle permet de lire les proprié-
tés optiques (transmission et/ou
réflexion) du milieu à différents ins-
tants après son excitation. Des infor-
mations sur la redistribution de
l’énergie injectée par la pompe et sur
les différents processus d’interac-
tions qui en sont à l’origine sont alors
obtenues en utilisant différentes lon-
gueurs d’onde de sonde et en reliant
propriétés optiques et électroniques.
CINÉTIQUE D’ÉTABLISSEMENT
DE LA TEMPÉRATURE ÉLECTRONIQUE
L’établissement de la température
électronique a été suivi en temps réel
en exploitant la relation directe entre
51
Nanoobjets sous contrôle