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Nanoparticules d’or sous irradiation laser pulsée : spécificités et applications de la plasmonique ultrarapide

Bruno Palpant Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire, CentraleSupélec – Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay – CNRS

La résonance de plasmon localisé dans les nanoparticules de métaux nobles est un phénomène aujourd’hui bien connu pour ses développements en termes de couleur, d’exaltation de champ électromagnétique local et de conversion de lumière en chaleur aux petites échelles. Ces propriétés, déjà largement exploitées en régime d’éclairement continu, sont modifiées par l’utilisation d’impulsions laser subpicosecondes : réponse optique non-linéaire, modulation du champ proche, forte localisation de l’échauffement photo-induit [1]. Ces modifications reflètent la perturbation transitoire ultrarapide de la distribution électronique sous l’effet de l’injection brève et intense d’énergie [2,3]. Au-delà, des processus multiphotoniques peuvent conduire à l’éjection d’électrons [4], la création d’un nano-plasma [5] et de radicaux libres dans l’eau [6], l’émission large bande de lumière [7].
Dans cette communication, nous présenterons les mécanismes régissant la perturbation et la relaxation électronique dans des nanoparticules plasmoniques sous excitation laser pulsée, où nous montrerons que le caractère « hors équilibre » de cette distribution peut jouer un rôle important. Nous explorerons certains des nouveaux effets qui peuvent être exploités dans les domaines de la photonique ultrarapide [8], l’imagerie biomédicale et les nouvelles thérapies ciblées [8].

 

References
[1] Photothermal properties of gold nanoparticles, B. Palpant, in “Gold nanoparticles for physics, biology and chemistry”, Ed. C. Louis & O. Pluchery (World Scientific, 2017).
[2] C. Voisin, N. Del Fatti, D. Christofilos, and F. Vallée, Ultrafast electron dynamics and optical nonlinearities in metal nanoparticles, J . Phys. Chem. B. 105, 2264–2280 (2001).
[3] X. Wang, Y. Guillet, R. S. Periasamy, H. Remita, and B. Palpant, Broadband spectral signature of the ultrafast transient optical response of gold nanorods, J. Phys. Chem. C 119, 7416-7427 (2015).
[4] T. Labouret and B. Palpant, Nonthermal model for ultrafast laser-induced plasma generation around a single plasmonic nanorod, Phys. Rev. B 94, 245426 (2016).
[5] E. Boulais, R. Lachaine and M. Meunier, Plasma-mediated nanocavitation and photothermal effects in ultrafast laser irradiation of gold nanorods in water, J. Phys. Chem. C 117, 9386–9396 (2013).
[6] T. Labouret, J.-F. Audibert, R. Pansu and B. Palpant, Plasmon-assisted production of reactive oxygen species by single gold nanorods, Small 11, 4475-4479 (2015).
[7] T. Haug, P. Klemm, S. Bange, and J.M. Lupton, Hot-electron intraband luminescence from single hot spots in noble-metal nanoparticle films, Phys. Rev. Lett. 115, 067403 (2015).
[8] X. Wang, R. Moreira, J. Gonzalez and B. Palpant, Coupling localized plasmonic and photonic modes tailors and boosts ultrafast light modulation by gold nanoparticles, Nano Lett. 15, 2633–2639 (2015).
[9] Z. Zhang et al., Near infrared laser-induced targeted cancer therapy using thermoresponsive polymer encapsulated gold nanorods, J. Am. Chem. Soc. 136, 7317−7326 (2014).