Les lucioles émettent des flash de lumière leur permettant de se localiser mutuellement. A l'échelle nanométrique, les boîtes quantiques se comportent de la même façon. Grâce aux travaux d'une équipe de l'Université de Copenhague, il est maintenant possible de les manipuler avec une pince optique à faible puissance.
Une boîte quantique est un minuscule nanocristal occupant à peine l'espace d'une dizaine d'atomes. La très petite taille des boîtes quantiques leur confère des propriétés physiques différentes de celles du matériau qui les compose. Ainsi, comme les atomes, les boîtes quantiques se distinguent par des niveaux énergétiques discrets. Le passage d'un niveau excité au niveau fondamental d'une boîte quantique s'accompagne alors de l'émission d'un petit flash lumineux. Les boîtes quantiques, souvent comparées de ce fait à des atomes artificiels, font l'objet d'études poussées depuis environ 25 ans.
Mais si la très petite taille des boîtes quantique les place sous les feux des projecteurs, elle les rendait aussi jusqu'à présent extrêmement difficile à manipuler. Une étude publiée dans la prestigieuse revue Nano Letters par Lene Oddershede du "Niels Bohr Institute" à l'Université de Copenhague montre qu'il est possible de capturer une boîte quantique isolée avec un piège optique continu d'intensité modérée.
Une pince optique est un faisceau laser fortement focalisé qui, dans son utilisation habituelle, capture des microparticules. Depuis Kepler, qui décrivait en 1619 la déformation des queues de comètes sous l'effet des rayons du soleil, on sait en effet que la lumière est capable d'exercer des forces et donc de transmettre une impulsion. Ainsi, une particule qui réfléchit ou réfracte un rayon lumineux sera soumise à des forces éventuellement capables de la déplacer. Sous certaines conditions, la pince optique permet de constituer un véritable piège optique où les corps sont attirés vers les régions de forte intensité lumineuse.
Il a cependant fallu attendre l'avènement du laser pour être capable de concentrer suffisamment de lumière en un point et exercer des forces lumineuses suffisamment intenses pour piéger une microparticule. Le problème se complique encore lorsqu'il s'agit de nanoparticules. Manipuler des boîtes quantiques ou d'autres minuscules objets nécessite en effet de s'opposer à leur mouvement brownien, déplacement aléatoire de tout corps microscopique immergé dans un fluide. Plus la taille des particules considérées diminue, plus le challenge est important car l'intensité des forces lumineuses appliquées à la particule diminue en même temps que le mouvement brownien s'intensifie ! Avant la publication des travaux de Lene Oddershede, on estimait qu'il était nécessaire de disposer d'un faisceau de 20 watts concentrés sur un micromètre carré pour pouvoir manipuler une boîte optique. Une telle puissance surfacique correspond à 20 terrawatts par mètre carré, c'est-à-dire environ 20 millions de fois la puissance lumineuse que l'on reçoit du Soleil à midi !
L'équipe du "Niels Bohr Institute" a réussi à manipuler une boîte quantique avec un laser continu CW de seulement 500 milliwatt. Cette performance ouvre la voie à la compréhension de propriétés inattendues des boîtes quantiques plongées dans un champ électromagnétique. Elle apporte en outre des connaissances novatrices sur leurs caractéristiques physiques.
La manipulation de boîtes quantiques par pince optique pourrait par ailleurs donner lieu à de multiples applications. Les chercheurs pourraient par exemple s'en servir pour manipuler des objets jusqu'ici trop petits pour être déplacés individuellement. Ainsi, les biomolécules et les moteurs moléculaires, responsables du mouvement des cellules et du transport intracellulaire sont étudiés depuis les années 90 à l'aide de pinces optiques. Mais la taille et la complexité des biomolécules les empêchait d'être capturées par le faisceau lumineux. Les chercheurs devaient ainsi les rattacher à une grosse particule, de l'ordre du micromètre, pour les manipuler et utiliser un fluorochrome pour les observer. En les attachant à une boîte quantique, il sera à présent possible de les manipuler et de les observer simultanément.
