Nanophotonics, Plasmonics
Mastering light / matter interactions at scales smaller than the wavelength
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Nanophotonics, Plasmonics

Energy transfer at the nanoscale,
an artist view (POVRay)

Photonics is the science and technology of the production of photons, their propagation and their absorption by matter.

The photonic properties of condensed matter depends on the intrinsic properties of its constituents (molecules, crystalline lattice,...) but, as importantly, on their organization at the nanoscale. Thus, nanophotonics addresses the various processes of interactions of light with matter at scales smaller than the wavelength (the wavelength of visible light is between 400 and 700nm ) .

The nanophotonics laboratory focuses on molecular plasmonics, that is the various processes involving photonic interactions between conjugated molecules and metal nanostructures. The design and development of hybrid nano-objects with innovative photonic functions is undertaken by combining the following aspects of nanophotonics :

- Plasmonics (contact: Ludovic Douillard ) .

- Nonlinear Nanophotonics (contact: Celine Fiorini - Debuisschert ) .

- Self-assembled photonic objects (contact: Fabrice Charra ) .

The applications, addressed in various multidisciplinary collaborative projects, are in the areas of energy (photovoltaics, cold lighting), life sciences (optical molecular labels, sensors and actuators), information and communication technologies (integrated nanophotonics, data storage), as well as more forward-looking topics such as optical manipulation of nanosized objects or single-photon, single-electron, single-molecule photonics.

 

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#827 - Màj : 10/03/2015
Faits marquants scientifiques

Les nanoparticules de métaux nobles présentent d’étonnantes propriétés optiques accessibles à tout un chacun au travers des couleurs chatoyantes des vitraux médiévaux. Dans cet exemple, le rendu des couleurs est lié à l’occurrence de résonances plasmons, une oscillation collective des électrons de conduction du métal sous l’influence d’un champ électromagnétique externe, ici la lumière du jour. Au-delà du domaine artistique, la plasmonique offre la possibilité de manipuler la lumière à l’échelle du monde nano. Cette perspective impose de comprendre plus avant la physique régissant ce phénomène, de concevoir des modèles théoriques susceptibles d’appréhender l’optique de petits objets et de développer des méthodes de caractérisations expérimentales haute résolution du champ proche optique.

Nos travaux visent à répondre à ces trois attentes. Sur un plan théorique, l’ingénierie du champ proche optique d’objets de tailles nanométriques peut être conduite quantitativement par simulation numérique au moyen de méthodes avancées telles que la méthode des différences finies dans le domaine temporel (Finite Difference Time Domain FDTD) ou l’approximation dipolaire discrète (Discrete Dipole Approximation DDA). Ces méthodes, toutefois, sont lourdes d’implémentation et requièrent des ressources informatiques conséquentes. Ce travail propose une méthode simple d’analyse du champ proche optique basée sur la théorie des groupes. Elle permet de prédire et d’interpréter le comportement plasmonique d’une particule de symétrie finie en quelques minutes seulement.

La première étape consiste en l’identification des symétries de l’objet et du champ excitateur. Ces éléments permettent la détermination des états propres symétriquement adaptés associés aux résonances plasmons de l’objet d’étude selon une démarche équivalente à celle mise en œuvre en chimie pour le calcul des orbitales moléculaires par combinaison d’orbitales atomiques. Ces états représentent la distribution de charges induites à résonance. Les paramètres de l’illumination, c’est-à-dire la longueur d’onde et la polarisation du champ incident, autorisent la manipulation sublongueur d’onde du champ optique par adressage sélectif de modes plasmons.

Ces prédictions sont confrontées aux réponses plasmoniques réelles de nano-objets de différentes géométries et tailles : cube, prisme… étudiées par microscopie de photoémission d’électrons (PhotoEmission Electron Microscopy PEEM), une microscopie électronique non intrusive d’une grande résolution spatiale au regard des grandeurs optiques manipulées.

 

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