Selon le modèle de Drude, les métaux sont constitués d'électrons libres ou de conduction (mer électronique) dans un réseau d'ions métalliques fixes. Un plasmon est une oscillation de plasma (mer électronique énergétiquement sollicitée) quantifiée. On distingue les plasmons de volume, les plasmons de surface et les plasmons de surface localisés.

Depuis quinze ans, l’optique connaît une évolution comparable à ce qui a fait le succès phénoménal de l’électronique il y a un demi-siècle : la miniaturisation, l’intégration de systèmes complexes, la diffusion vers les activités et les besoins du grand public. Cette optique-là n’a plus grand chose à voir avec celle des miroirs et des lentilles, dont les dimensions se comptaient au moins en centimètres. Pour bien marquer la différence, on parle aujourd’hui de photonique – la science du photon, comme l’électronique est celle de l’électron. Mieux : désormais, les chercheurs savent concevoir des dispositifs dont la taille atteint quelques centaines de nanomètres, et on parle alors de nanophotonique.

Les possibilités de cette nouvelle discipline sont considérables, puisque les photons vont naturellement plus vite, et facilement plus loin, que les électrons. Cependant, lorsqu’on atteint ces échelles, les lois de l’optique ne sont plus tout à fait celles que l’on connaît, et demandent de nouveaux développement théoriques. "Lorsque la dimension caractéristique des composants est du même ordre de grandeur que la longueur d’onde de la lumière considérée, tout devient plus complexe", indique Riad Haidar de l'ONERA. Dans le cas de la lumière infrarouge, cette longueur d’onde est de l’ordre du micromètre.

C’est un Français, Thomas Ebbesen, suite à des études relatées dans une lettre à la revue Nature en février 1998, qui a mis en évidence cette nouvelle physique. Il a en effet découvert, au début des années 1990, le "tamis à photons" : c’est une ouverture plus petite que la longueur d’onde, percée dans un film métallique et entourée de gravures périodiques nanométriques. Un trou, percé dans ces conditions, possède une transmission optique extraordinaire, car plusieurs ordres de grandeur supérieure à ce que prédit la théorie classique. De plus, sa diffraction peut être contrôlée grâce à l’activation de "plasmons de surface", mouvements collectifs d’électrons à la surface d’un matériau conducteur. Comment utiliser ces plasmons pour maîtriser la lumière ? "Les enjeux théoriques sont considérables. Nous développons des modèles afin de mieux comprendre les phénomènes physiques mis en jeu, expose Riad Haidar. Nous définissons aussi quelles solutions basées sur la nanophotonique peuvent répondre aux besoins en matière d’instrumentation optique".

Au début du siècle dernier, Wood a découvert que les réseaux gravés dans un métal très conducteur comme l'argent ou l'aluminium présentent pour certaines fréquences un changement soudain de l'intensité de la lumière diffractée. Ce phénomène n'est observé que lorsque le champ magnétique est dirigé suivant l'axe principal des sillons du réseau. Les modèles scalaires de diffraction de la lumière de la lumière dans un réseau de diffraction ne permettent pas de prévoir cette résonance puisqu'elle est reliée à la polarisation de la lumière, et que seul un modèle vectoriel permet donc de modéliser ce phénomène. Dans les années 1970, les progrès réalisés dans la théorie électromagnétique ont permis d'expliquer ces anomalies par l'excitation d'une résonance électromagnétique de surface, appelée résonance plasmonique. L'arrivée des premiers codes numériques basés sur la résolution rigoureuse des équations de Maxwell a alors permis de modéliser ces anomalies, observées jusqu'alors expérimentalement, et de comprendre les propriétés des résonances plasmoniques.

A la fin des années 1990 est apparu un nouveau dispositif, dénommé communément "tamis a photons", qui consiste en une fine plaque métallique (d'une épaisseur inférieure à la longueur d'onde) percée de trous d'un diamètre inférieur à la longueur d'onde, régulièrement espacés. Pour certaines fréquences, ce dispositif présente des pics de transmission lumineuse alors inexpliqués. Cette découverte a déclenché un vif intérêt dans la communauté scientifique et de nombreuses études ont été publiées dans le but d'expliquer l'origine de cette transmission inattendue.

Selon Thomas Ebbesen* : "Il y a dix ans, le fait de voir à travers un film d'or percé seulement de trous de diamètre inférieur à la longueur d'onde de la lumière visible semblait incroyable à la plupart des physiciens. Ce phénomène est pourtant bien réel, et ses fondements théoriques sont progressivement précisés. Les dispositifs fondés sur ce principe ont des usages très variés que nous commençons seulement à entrevoir".

"Si quelqu'un vous dit qu'il peut passer à travers la serrure d'une porte blindée, vous ne le croirez probablement pas. Et vous aurez raison. Imaginez maintenant que la même personne perce la porte d'une multitude de petits trous, et que cette simple opération lui permette de traverser l'obstacle : vous n'en croiriez pas vos yeux. Telles furent ma stupéfaction et l'incrédulité de mes collègues lorsque j'ai découvert que la lumière traverse une plaque métallique percée de trous beaucoup plus petits que sa longueur d'onde. Plus fort encore, même la lumière qui tombe entre les trous passe à travers. C'est tout à fait contraire au bon sens et, bien sûr, à ce que l'on apprend en cours de physique : avec quelques collègues, nous avons mis huit ans avant de comprendre les causes de ce phénomène. Une nouvelle étude théorique vient de confirmer nos résultats".

(*) Note : Thomas Ebbesen est un physico-chimiste né en Norvège à Oslo le 30 janvier 1954. En 1999, il rejoint l’Institut de Science et d'Ingénierie Supramoléculaires (ISIS) fondé par Jean-Marie Lehn à l’Université de Strasbourg. Il est l’actuel directeur de l’ISIS. Depuis le 15 juin 2010, il est Membre étranger de l’Académie des Sciences.

1 - La gravure ionique

Le champ d'application offert par la maîtrise de la lumière à ces nouvelles échelles est vaste et s'étend de l'exaltation des effets non-linéaires ou du dénombrement de molécules fluorescentes, à la modification de l'interaction lumière-matière ou encore à la manipulation de la matière par voie optique.

Si les tamis à photons permettent l'excitation de résonances plasmoniques délocalisées sur l'ensemble du composant, une ouverture isolée permet d'exciter une résonance plasmonique localisée à son voisinage proche. Le plasmon qui est excité par l'ouverture, se propage en effet à la surface du métal avec des pertes. Ce nanocomposant apparaît alors comme un choix très simple pour confiner la lumière puisqu'il permet d'exciter une résonance de surface localisée à l'échelle nanométrique. Les performances de nombreuses techniques optiques seraient en effet grandement améliorées si un seul trou de diamètre inférieur à la longueur d'onde transmettait efficacement la lumière. Par exemple, la microscopie optique en champ proche, où un tel orifice est utilisé pour l'observation optique de structures plus petites que la longueur d'onde de la lumière utilisée, souffre de la très faible transmission de celle-ci. (voir T. Ebbesen)

Le champ est très fortement confiné au voisinage de l'ouverture et sa très forte modulation, à des échelles sub-longueur d'onde, rend la modélisation de la lumière très difficile.

A l'aide d'une méthode numérique FNF, une équipe de l'Institut Fresnel (Marseille, équipe CLARTE) a étudié les processus physiques impliqués dans la diffraction de la lumière par une ouverture nanométrique réalisée dans un métal très conducteur. Elle a tout d'abord démontré la possibilité d'exciter une résonance plasmonique à l'aide d'une ouverture simple, dépourvue de structuration, puis étudié la transmission de la lumière à travers l'ouverture. Elle a ensuite quantifié la réduction du cône de rayonnement de la lumière observée expérimentalement en 2001 à la sortie d'une ouverture structurée par une modulation périodique et dissocié les rôles des 2 structurations sur chacune des faces du métal. La structuration du côté de l'onde incidente permet de coupler efficacement l'onde incidente à la résonance plasmonique, ce qui entraîne une augmentation de l'intensité lumineuse dans l'ouverture, et la structuration du côté de l'émission permet de rayonner l'onde plasmonique qui se propage à la surface du métal, ce qui diminue l'angle du cône de rayonnement. Une étude importante a porté sur la détermination de la géométrie de l'ouverture qui optimise le couplage entre l'onde incidente et la résonance plasmonique. Il a été démontré que les rayons des gravures successives qui optimisent le plasmon sont égaux aux maximum et minimum successifs de la fonction RJ₁(k_p, R), où R est le rayon de l'ouverture, J₁ une fonction de Bessel du premier ordre et k_p la constante de propagation du plasmon. A l'aide de cette formule très simple, on peut désormais déterminer précisément la géométrie des nano-composants à graver qui optimisent le confinement du champ.

The polarization dependence of the optical properties of individual subwavelength holes in a thin metallic film is studied using terahertz time-domain spectroscopy. We show that for parallel polarization of the incident light, the coupling is predominantly to short-range bonding film plasmons while for perpendicular polarization the incident light couples more efficiently to long-range antibonding film plasmons. These results represent a direct observation of antisymmetric hybridized plasmons and clarify the nature of plasmonic excitations in metallic structures with subwavelength-scale geometrical features. We show that polarization can be used as a means for selective excitation of film plasmon modes.

Les matériaux peuvent se présenter aussi sous forme de couches minces, constitués de nano-grains métalliques (essentiellement Au ou Ag) déposés sur substrat en couche semi-continue pour les milieux 2D, ou intégrés dans une matrice diélectrique (SiO₂ ou TiO₂) pour les milieux 3D de type cermets.

Extraits d'un article écrit le 15.06.2005 par Olivier Martin, Laboratoire de nanophotonique & métrologie, EPFL (Lausanne, Suisse)

La revue "Science" a publié dans son numéro du 10 juin 2005 les résultats d'une recherche menée en collaboration entre le groupe Nano-Optics dirigé par le professeur Bert Hecht à l'Institut de physique de l'Université de Bâle et le Laboratoire de nanophotonique et métrologie (NAM) de l'EPFL. Les auteurs présentent des mesures spectroscopiques ainsi que des simulations d'antennes nanoscopiques résonantes aux fréquences optiques.

Chacun connaît les antennes classiques qui, depuis l'invention du Russe Alexander Popov à la fin du XIXe siècle, jusqu'à leur version miniature incorporée dans nos téléphones mobiles, n'ont cessé d'accompagner l'évolution des télécommunications. Leur silhouette est parfois imposante.

Aux fréquences télécommunications, la taille d'une antenne est en effet déterminée par la longueur d'onde à laquelle elle doit fonctionner. Ainsi, une des antennes les plus simples, l'antenne dipolaire formée de deux tiges métalliques séparées par un petit entrefer, a-t-elle une longueur égale à la moitié de la longueur d'onde considérée (pour un portable fonctionnant à 900 MHz cela correspond à une antenne de 17 cm). Cette taille permet d'établir un champ résonant dans l'antenne comparable à une onde stationnaire (la période d'une onde stationnaire est égale à la demi-longueur d'onde de la radiation considérée).

Les antennes étudiées ici ont une forme similaire aux antennes dipolaires classiques. Elles ont été "taillées" dans des films d'or à l'aide d'un faisceau d'ions (focused ion beam "FIB"), une technologie dont dispose le Centre de micro- et nanotechnologies de l'EPFL. Leurs dimensions sont de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres, alors que leur fréquence de travail correspond à une longueur d'onde de 800 nm, à la frontière du rayonnement visible.

1 - L'étrange comportement des particules métalliques

Le fait de pouvoir ainsi réaliser une antenne bien plus petite que la longueur d'onde trouve son origine dans le comportement particulier du métal à ces fréquences optiques. Alors que dans les micro-ondes les métaux peuvent être considérés comme presque parfaits, de sorte que le champ électrique généré par une antenne classique ne pénètre pratiquement pas dans le métal, dans les fréquences optiques, le champ électrique pénètre dans le métal (profodeur de peau), créant des résonances électromagnétiques très fortes. Ces résonances, que l'on appelle résonances plasmons, sont liées au mouvement des électrons à la surface du métal.

L'excitation d'une telle résonance dépend du métal utilisé et de la forme de l'antenne. La propriété la plus remarquable de cette résonance étant qu'elle apparaît alors que le résonateur (particule métallique) est beaucoup plus petit que la longueur d'onde considérée. Cet effet de résonance plasmon était d'ailleurs déjà utilisé par les verriers du Moyen-Âge qui incorporaient de petites particules de métal dans la pâte de verre pour créer des vitraux. A une longueur d'onde spécifique ces nano-particules entrent en résonance, donnant à la particule une couleur spécifique et par la même colorant le verre de façon particulièrement vive.

2 - Vers des débouchés pour les télécommunications?

Depuis plusieurs décennies, les toits des bâtiments dans le monde entier sont disgrâcieusement décorés d'antennes de Yagi-Uda, plus communément appelées antennes-râteaux, pour capter les émissions de télévision. À l'Université de Hiroshima, Terukazu Kosako, Yutaka Kadoya et Holger Hofmann ont réalisé une version nanométrique de cette antenne, qui émet de la lumière dans une direction privilégiée.

Ces nouvelles antennes optiques nanoscopiques offrent des possibilités d'applications fascinantes. Ainsi, peut-on imaginer utiliser les champs puissants qu'elles génèrent à l'échelle du nanomètre pour contrôler la fluorescence de molécules, la diffusion Raman (SERS), l'émission de boîtes quantiques, ou tout effet optique non-linéaire dépendant de l'intensité du champ électrique. Un domaine d'application particulièrement intéressant poursuivi par le NAM est la combinaison de ces antennes avec des canaux de microfluidique pour créer de nouvelles fonctions "lab-on-the-chip".

Le nano-design multi-échelle apporte une réponse pour l'obtention d'un effet SERS reproductible et localisé.

Des chercheurs de l’Institut Polytechnique Rensselaer de Troy dans l’état de New York (à 280 km à l’est de Boston) ont mis au point un photodétecteur infrarouge à plasmons de surfaces. Cette microlentille nanotechnologique s’avère être deux fois plus puissante que les photodétecteurs actuels et pourrait conduire à une nouvelle génération de caméras infrarouge ultra-puissantes pour l’observation satellite, les dispositifs de vision nocturne ou encore l’imagerie médicale. Avec quelques améliorations, les chercheurs s’attendent à ce que cette nouvelle technologie puisse être en mesure d’améliorer ce rendement jusqu’à 20 fois.

Au lieu d’utiliser le mélange Mercure-Cadmium-Tellure, les chercheurs ont recouvert la surface d’un photodétecteur infrarouge constitué de puits quantiques (quantum dots) de InAs d’environ 50 nm d’or qu’ils ont percé de trous d’environ 1,6 micron de diamètre et de 1 micron de profondeur. En faisant focaliser la lumière dans ces mini-trous vers les puits quantiques, plus de photons sont absorbés, donc convertis en électrons par la structure semi-conductrice InAs à puits quantiques.

Cette structure facilite en fait une interaction forte plasmons de surface/puits quantiques, conduisant à une amélioration de 130% de la réponse infrarouge au niveau de la résonance plasmonique. Financés par l’US Air Force Office of Scientific Research, les chercheurs ont travaillées sur deux mécanismes clés pour l’amélioration des performances :

En outre, le traitement de surface se prête à la fabrication à grande échelle et, surtout, ne dégrade pas le bruit intrinsèque de la cellule photoélectrique, sans, non plus, impacter sur le temps de réponse de l’appareil. Pour faire simple, l’effet est semblable au fait de couvrir chaque petit puits quantique avec une lentille, mais sans le poids supplémentaire, et avec moins les tracas et sans les coûts d’installation et le calibrage des millions de verres microscopiques ! Tout l’extraordinaire avenir des tamis à photons tient dans cette fonction !

A group from Stuttgart have experimentally demonstrate a perfect plasmonic absorber at l = 1.6 mm. Its polarization-independent absorbance is 99% at normal incidence and remains very high over a wide angular range of incidence around ±80°. They have introduce a novel concept to utilize this perfect absorber as plasmonic sensor for refractive index sensing. This sensing strategy offers great potential to maintain the performance of localized surface plasmon sensors even in nonlaboratory environments due to its simple and robust measurement scheme.

Colour and spectral imaging systems typically use filters and glass prisms to disperse light of different wavelengths. With the miniaturization of integrated devices, current research on imaging sensors focuses on novel designs aiming at high efficiency, low power consumption and slim dimension, which poses great challenges to the traditional colourant-based filtering and prism-based spectral splitting techniques. In this context, surface plasmon-based nanostructures are attractive due to their small dimensions and the ability to efficiently manipulate light. In this article in Nature Communications, Ting Xu, Yi-Kuei Wu, Xiangang Luo, L. Jay Guo de l'université du Michigan (Plasmonic nanoresonators for high-resolution colour filtering and spectral imaging, published 24 08 2010) use selective conversion between free-space waves and spatially confined modes in plasmonic nanoresonators formed by subwavelength metal-insulator-metal stack arrays to show that the transmission spectra through such arrays can be well controlled by using simple design rules, and high-efficiency colour filters capable of transmitting arbitrary colours can be achieved. These artificial nanostructures provide an approach for high spatial resolution colour filtering and spectral imaging with extremely compact device architectures

Une réponse est apportée actuellement par les métamatériaux. Il s'agit en général de structures périodiques, diélectriques ou métalliques, qui se comportent comme un matériau homogène n'existant pas à l'état naturel. Il existe plusieurs types de métamatériaux en électromagnétisme, les plus connus étant ceux susceptibles de présenter à la fois une permittivité et une perméabilité négatives. Mais il en existe d'autres : milieux d'impédance infinie, milieu à permittivité relative inférieure à 1, etc. En réalité les métamatériaux sont très anciens, puisqu'on peut considérer par exemple les verres colorés utilisés dans les vitraux des cathédrales comme des métamatériaux optiques. De même on peut considérer les cristaux photoniques comme des métamatériaux.

Les milieux dits « main gauche » ou à « indice de réfraction négatif », ont été théorisés en 1967 par Victor Veselago. Ils nécessitent une perméabilité et une permittivité négatives simultanément. Longtemps, cette double condition a été difficile à réaliser, même si l'on connaissait depuis longtemps des milieux présentant une permittivité négative (par exemple les plasmas).

En 2000, John Pendry, de l'Imperial College, en propose une réalisation à l'aide de structures périodiques métalliques formées d'anneaux concentriques coupés, appelées split-ring resonators (SRR), et de fils métalliques continus. Il avait démontré dans deux articles successifs qu'un arrangement périodique de fils métalliques continus parallèles présentait en basse fréquence une permittivité négative et qu'un réseau périodique de SRR présentait une perméabilité négative autour d'une fréquence de résonance.

En réunissant les deux réseaux dans une structure périodique composite, on réalisait le milieu proposé par V. Veselago. Ce milieu présentait alors un indice négatif au voisinage de la fréquence de résonance des SRR.

Des tentatives de réalisation de ces métamatériaux en infra-rouge et dans le domaine visible ont été également proposées. Il s'agit de véritables tours de force dans la mesure où la période du réseau est de l'ordre du dixième de la longueur d'onde. Par exemple dans le visible, si la longueur d'onde est 500nm, la période est de l'ordre de 50nm, avec des largeurs de motifs métalliques de l'ordre de la dizaine de nanomètres.

La difficulté vient donc du fait qu'il faut obtenir des structures très petites (afin de créer des réseaux à petites périodes). Actuellement, les métamatériaux sont réalisés par micro-gravure ou nano-gravure. Ils sont constitués de fibres de cuivres imprimés dans des fibres de verre constituant ainsi la partie isolante, c'est-à-dire la partie diélectrique du métamatériau. C'est donc principalement dans la mise en forme que les ingénieurs sont limités. Certains groupes de recherche, dont des français, espèrent trouver une solution en changeant la méthode de fabrication, c'est-à-dire en réalisant ces métamatériaux par auto-assemblages dirigés, ces derniers se fabriquant alors de manière quasi-naturelle. D'autre part, le problème de l'élaboration d'un tel matériau provient de la difficulté à obtenir des matières premières de grande pureté.

Conclusion : il est plus facile de réaliser un métamatériau agissant sur les ondes radio ou les micro-ondes (ondes radar) que sur la lumière, de longueur d'onde beaucoup plus courte.

1 - Domaine des micro-ondes

C'est à une véritable course que se livrent les spécialistes mondiaux des métamatériaux. Il ne se passe plus un mois sans qu'un record tombe ou qu'un théoricien annonce de fracassantes prédictions. Parmi elles, la plus médiatisée est l'invisibilité, la cape (tapis, voile...) d'Harry Potter s'invitant désormais régulièrement dans les revues scientifiques. Au mois d'octobre, l'équipe de David Smith, à la Duke University, parvenait à faire traverser sans déviation par des micro-ondes un métamatériau alors que celui-ci contenait un anneau de cuivre qui aurait dû les arrêter.

Dans son rapport annuel 2009, le président du CNRS, Alain Fuchs, s'enorgueille d'une cape de protection à large domaine spectral réalisée par B. Kanté, D. Germain et A. de Lustrac de l'IEF à l'université de Paris-Sud - Orsay.

2 - Domaine du visible

Il fallait que ces fameux métamatériaux manifestent leurs propriétés extraordinaires dans le domaine de la lumière visible et non dans celui des micro-ondes comme c'était le cas jusqu'à présent. C'est fait ! Cet été (2006), Costas Soukoulis avait promis qu’il y parviendrait. Il a tenu parole. Lui et son équipe du laboratoire Ames, aux Etats-Unis, viennent d'annoncer qu’ils tenaient un métamatériau fonctionnant à 780 nanomètres, c'est-à-dire la longueur du rouge. Son équipe, qui collabore avec des scientifiques allemands de l’université de Karlsruhe, l’a réalisé en gravant des trous de 100 nanomètres dans une couche d'argent et de fluorure de magnésium.

3 - Et si on reparlait des plasmons de surface...

La premiere réalisation mondiale de l’invisibilité pour les plasmons - un des graals de la photonique moderne.

Un article écrit par Muamer Kadic, Sébastien Guenneau et Stefan Enoch de l’lnstitut Fresnel est paru en ligne vendredi 21 mai 2010 dans Optics Express (Optic Express; Vol. 18, No. 11, 12027) : ils sont les premiers à démontrer théoriquement et numériquement que l’on peut contrôler la propagation des plasmons à la surface des métaux.

Les applications potentielles de ce concept sont colossales.

Cet article a été soumis simultanément aux équipes du Pr Zhang à Berkeley (spécialiste des métamatériaux) et du Pr Garcia-Vidal à Madrid (un des leaders européens sur la plasmonique) :

- Transformational Plasmon Optics : Yongmin Liu, Thomas Zentgraf, Guy Bartal and Xiang Zhang; Nano Lett., 2010, 10 (6), pp 1991-1997

- Transformation Optics for Plasmonics : Paloma A. Huidobro, Maxim L. Nesterov, Luis Martn-Moreno and Francisco J. Garca-Vidal; Nano Lett., 2010, 10 (6), pp 1985-1990

Ces trois premiers articles sur le cloaking (invisibilité) plasmonique vont avoir un impact médiatique tout à fait notable dans les semaines à venir.

En effet, Sir John Pendry, inventeur de la cape d’invisibilité, a reçu un soutien appuyé (£4.9 million) du fond Leverhulme en novembre 2009 pour développer les métamatériaux en plasmonique :

Or les trois articles précités (par une équipe américaine, et deux équipes européennes, dont l’équipe CLARTE de l’Institut Fresnel) sont la preuve théorique et numérique que l’on peut contrôler les plasmons avec les métamatériaux.

Some new fields of research announce themselves with a fanfare - high-temperature superconductivity was one. Others start with a whisper, heard by insiders but inaudible to the rest of us. Plasmonics is of this variety. Had this field begun with what is now its most famous trick - rendering objects invisible with shields that bend electromagnetic radiation in strange ways - it would have made instant headlines. But one of the foundational papers seemed at the time a mere curiosity, not obviously fitting into any familiar agenda.

Thomas Ebbesen and his co-workers at the NEC Research Institute in Princeton reported in 1998 that light can be squeezed through metallic films perforated by arrays of cylindrical pores, even though the pores were just a tenth as wide as the light's wavelength (Nature 391, 667-669; 1998). That defied the conventional wisdom that light transmission is limited by diffraction effects. Ebbesen discovered this almost a decade earlier, but only later deduced what was happening: the light excites waves in mobile surface electrons of the metal (plasmons), with the same frequency but shorter wavelength. These can pass through the holes and lead to re-radiation of light on the far side.

Ebbesen and colleagues hinted at "applications in novel photonic devices", but only more recently has it become clear what that could mean: for example, coupling light signals to nanoscale metal waveguides on a chip without suffering from diffraction-limit restrictions on size. Plasmonic nanoshells have been proposed as light-absorbing heaters to burn up cancerous tissue. And metamaterials, the stuff of the invisibility cloak, also depend on the excitation of surface plasmons in their metallic components.

One problem with plasmonic devices is that some of the plasmon energy is typically radiated away because of scattering at the boundaries of materials with different refractive index. Elser and Podolskiy have now shown how metamaterials might do away with this source of power loss, by cladding interfaces with structures of suitably graded optical properties - not unlike the way graded-index cladding on optical fibres stops light escaping (Phys. Rev. Lett. 100, 066402; 2008). They say that electric fields can dynamically tune the local refractive index of these structures, so that a block of metamaterial might be reversibly imprinted with all kinds of optical-response patterns: one moment a lens, the next a mirror or waveguide.

Meanwhile, Le Perchec et al. have shown that surface plasmons could explain why some metal films (notably silver) absorb light strongly: relatively shallow surface grooves can 'capture' the light by acting as plasmonic resonators and waveguides (Phys. Rev. Lett. 100, 066408; 2008). The effect might also explain why such metal films produce surface-enhanced Raman scattering (SERS), a useful spectroscopic tool. And Zhang et al. have found that surface voltages excited on the inner face of invisibility shields will reflect electromagnetic waves radiated from an active device inside, eliminating leakages that would reveal its presence (Phys. Rev. Lett. 100, 063904; 2008).

As far as plasmons go, we are clearly still just scratching the surface.