Un laser classique est une cavité où la lumière rebondit entre deux miroirs en s'amplifiant. Mais on peut supprimer les miroirs et faire circuler la lumière dans une particule minuscule, plus petite que la longueur d'onde elle-même. C'est exactement ainsi que fonctionnent les nouveaux lasers constitués de nanoparticules de phosphure d'indium déposées sur de l'or parfaitement lisse.
Les particules, longues de 115 à 480 nanomètres — des centaines de fois plus fines qu'un cheveu humain — reposent sur un substrat d'or poli à la rugosité atomique. Lorsqu'on éclaire une telle particule avec de courtes impulsions, une émission laser apparaît : une lumière cohérente émise non pas dans une direction aléatoire, mais le long de la surface dorée. Le plus petit laser de l'expérience émettait à une longueur d'onde de 730 nanomètres. C'est une lumière rouge sombre, presque à la limite de l'infrarouge.
L'astuce principale réside dans le fonctionnement à proximité de la résonance des plasmons de surface. C'est le nom donné aux oscillations collectives des électrons à l'interface entre un métal et un diélectrique, qui peuvent comprimer la lumière dans des volumes extrêmement petits. On pensait auparavant que les pertes étaient trop importantes près de la résonance, mais les auteurs ont montré qu'en choisissant un matériau à très fort gain — le phosphure d'indium en l'occurrence — l'émission laser devient possible. De plus, plus la longueur d'onde est éloignée de la résonance, plus la raie d'émission est fine et plus l'énergie de seuil de pompe est faible. Dans les particules plus grandes, on a pu exciter les deuxième et troisième ordres des modes plasmoniques — la lumière à l'intérieur de la particule formait non pas un, mais deux ou trois nœuds d'onde stationnaire.
Cette approche repousse les limites de la miniaturisation des lasers. On pourra les utiliser pour la transmission de données à très haute vitesse dans les puces informatiques, pour des capteurs ultrasensibles capables de détecter des molécules uniques, ou comme codes-barres optiques pour suivre des cellules dans des expériences biologiques. Et tout cela dans un dispositif pas plus épais qu'une toile d'araignée.
Le phosphure d'indium, dont sont faites les nanoparticules, est le même matériau que celui utilisé dans les transistors haute vitesse et les lasers pour les communications par fibre optique. Désormais, il fonctionne aussi à une échelle comparable à celle des virus.