En focalisant des impulsions laser femtoseconde (10^-15 s) de haute énergie sur un substrat transparent recouvert d'une ou plusieurs couches minces, il est possible de produire une cavité fermée, par « décollement » local d'une couche (ou délamination). Il faut pour cela optimiser la fluence du laser et l'épaisseur de la couche mince, qui ne doit se détacher que très localement. Selon l'excitation laser, la taille des cavités varie entre quelques centaines de nanomètres et plusieurs microns et peut être caractérisée par microscopie optique interférentielle en cours de fabrication. Les propriétés acoustiques et plasmoniques des cavités ainsi obtenues apparaissent remarquables.

Une cavité acoustique de haute qualité

Les cavités formées par délamination laser femtoseconde d'une couche mince de nickel sur un substrat de verre s'avèrent être de haute qualité « acoustique » (phonons). Au moyen d'impulsions laser de faible énergie (plus de 100 fois inférieure à celle des impulsions créant la structure), il est possible de produire et caractériser, par microscopie photo-acoustique résolue, des impulsions cohérentes de phonons acoustiques se propageant dans la membrane. L'analyse de la dynamique des vibrations ainsi enregistrées permet d'accéder aux propriétés de modes de phonons de ultra-haute fréquence (supérieure à ~100 GHz).

Produire des « plasmons-polaritons de surface »

Autre résultat : les cavités obtenues par délamination laser femtoseconde de bicouches cobalt-or sur saphir se prêtent bien à la manipulation d'oscillations électroniques collectives (plasmons). La séparation obtenue entre la bicouche et le substrat est de l'ordre de 500 nm. Le dispositif réalisé par les physiciens de l'Iramis et leurs partenaires – qui utilise un prisme diélectrique, distant d'un micron de la bicouche métallique – permet de montrer que cette configuration est optimale pour exciter un mode particulier d'oscillation électronique collective, se propageant parallèlement à la surface (plasmon-polariton de surface).

Il est aussi possible de contrôler l'excitation des plasmons-polaritons de surface, en appliquant de faibles champs magnétiques externes, de l'ordre de quelques milliteslas.

Ces résultats, confortés par la simulation numérique, montrent tout le potentiel de ces cavités pour réaliser des dispositifs magnéto-plasmoniques actifs, fonctionnant à des échelles de temps ultrarapides. Les techniques entièrement optiques utilisées, appliquées à des couches minces magnétiques, combinent les avantages de l'excitation par laser femtoseconde, avec une méthode de caractérisation des vibrations acoustiques ultra-haute fréquence, tout en profitant de la sensibilité à l'aimantation.