Résonateurs sub-lambda
Membres permanents
– Sébastien Bidault
– Valentina Krachmalnicoff
– Yannick De Wilde
Résumé
Des longueurs d’onde du visible ...
Les émetteurs quantiques sont des sources de lumière non-classiques intrinsèquement très non-linéaires mais qui interagissent de manière inefficace avec la lumière à température ambiante, tandis que les nanostructures résonantes interagissent efficacement avec la lumière mais de manière classique et essentiellement linéaire. C’est pourquoi il est intéressant de coupler ces types de résonateurs entre eux dans des nanostructures hybrides dont l’interaction avec la lumière est optimisée. Nous avons développé une méthode originale à base de brins d’ADN et de nanoparticules d’or afin d’atteindre un régime de couplage fort entre quelques molécules fluorescentes et une nanostructure plasmonique [Heintz et al., ACS Nano, 2021] (figure ci-dessous) et avons proposé comment optimiser ce couplage en utilisant des nanoparticules anisotropes [Heintz et al., J. Phys. Chem. Lett., 2022]. Nous avons également étudié le couplage entre des nanostructures résonantes et des émetteurs qui interagissent avec la lumière à la manière de dipôles magnétiques pour montrer l’importance de la composante magnétique des ondes lumineuses dans les interactions lumière-matière pour lesquelles on ne considère généralement que la composante électrique [Sanz-Paz et al., Nano Lett., 2018] [Bidault et al., J. App. Phys., 2019].
Représentation schématique d’un dimère de nanoparticules d’or, reliées par un court brin d’ADN, en régime de couplage fort avec 5 molécules fluorescentes présentes sur le brin d’ADN (gauche) et vérification expérimentale du régime de couplage fort par mesures d’anti-croisement des résonances des molécules et de dimères de nanoparticules (droite).
… à celles de l’infrarouge moyen
Pour étudier l’émission thermique infrarouge (IR moyen) de résonateurs individuels sub- 𝜆 , nous avons développé une nouvelle méthode de spectroscopie IR par modulation spatiale (IRSMS) qui permet de mesurer en champ lointain le spectre d’émission thermique d’objets individuels de taille sub- 𝜆 en supprimant la contribution largement dominante du rayonnement thermique de fond (figure ci-dessous). Cette méthode ultra-sensible permet non-seulement de faire de la spectroscopie IR sans source extérieure, mais elle lève aussi un verrou important inhérent à la spectroscopie IR à transformée de Fourier avec laquelle il était jusqu’ici impossible d’étudier des objets de taille inférieure à quelques dizaines de micromètres. Nos études du spectre d’antennes métal-isolant-métal (MIM) individuelles à base de silice (SiO2) ont révélé que leur mode fondamental peut être excité à deux -𝜆 différentes en raison de la forte dispersion du SiO2 [Li et al., Phys. Rev. Lett., 2018]. Nous avons aussi observé la signature spectrale de l’hybridation de modes électromagnétiques excités thermiquement, un effet de cohérence se produisant quand deux antennes MIM se couplent en champ proche [Abou-Hamdan et al., Opt. Lett., 2021]. Nous avons ensuite étendu la méthode IRSMS à l’étude d’antennes diélectriques individuelles consistant en des sphères de quelques micromètres de diamètre en SiO2. Nous avons montré qu’il est possible d’exciter des résonances associées aux polaritons de surface (𝑅𝑒( 𝜖)<0) ou aux modes de Mie géométriques (𝑅𝑒( 𝜖)>0) selon la taille des sphères [Abou-Hamdan et al., ACS Phot., 2022].
La méthode IRSMS a enfin aussi permis d’étudier le spectre de fibres qui entrent dans la conception d’isolants thermiques [Kallel et al., JQSRT 2019].
Ces travaux ont été réalisés dans le cadre de collaborations fructueuses : l’une avec l’ONERA et l’autre avec Saint-Gobain Research Paris.
Représentation schématique du montage de spectroscopie infrarouge par modulation spatiale (IRSMS) permettant de mesurer le spectre d’émissivité infrarouge d’une nanostructure unique (gauche) et dépendance spatiale du signal spectroscopique provenant d’une antenne MIM unique après démodulation par la détection synchrone (droite).
