Manipulate the emission and absorption of magnetic dipole transitions using optical nano-antennas
Manipuler l'émission et l'absorption de transitions dipolaires magnétiques par l'utilisation de nano-antennes optiques
Résumé
Nanophotonics and in particular optical near-field microscopy has recently demonstrated both theoretically and experimentally that optical nano-antennae can manipulate and control the emission and absorption properties of fluorescent nano-objects. Until now, most studies of the behavior of nano-antennas have only focused on the ability of such objects to confine and increase the electric field of light in order to modify the absorption or emission properties of electric dipolar transitions, for example of quantum dots or fluorescent molecules. Few studies have been performed on the modification of transitions linked to magnetic dipoles. This is due to the fact that, at the quantum level, magnetic dipole transitions are at least two orders of magnitude weaker than electric dipole transitions. For this reason, interactions between quantum emitters and photonic nanostructures have often been assumed to be supported only by the electric part of the light, the optical magnetic component being generally ignored.
However, it has recently been shown that strong magnetic dipolar transitions are found in a certain class of metallic materials such as rare earth ions. Therefore, researchers have naturally explored the manipulation of the excitation and emission of magnetic dipole transitions of these ions. In particular, for the trivalent europium ion Eu3+, it has been demonstrated using a simple metal surface, that the spontaneous emission of a magnetic dipolar transition could be manipulated in the same way as an electric dipolar transition. But until now, only theoretical works have studied and demonstrated the capability of optical nano-structures to modify the spontaneous emission of magnetic dipolar transitions by manipulating the magnetic LDOS at the nanoscale. Regarding the excitation of magnetic dipole transitions, a recent study reported that it is possible, using a laser beam with spatially separated electric and magnetic fields, to study the excitation of magnetic dipole transitions and use it to map the magnetic part of the light.
In this work, we will focus on the magnetic part of light by studying the near-field coupling between optical nano-structures and quantum nano-emitters possessing magnetic dipole transitions. In particular, we will study the emission and absorption of magnetic dipolar transitions and demonstrate that the emission of the latter can be manipulated in the same way as that of electrical transitions.
La nano-photonique et en particulier la microscopie champ proche optique a récemment démontré à la fois théoriquement et expérimentalement que les nano-antennes optiques peuvent manipuler et contrôler les propriétés d’émission et d’absorption de nano-objets fluorescents. Jusqu'à présent, la plupart des études du comportement des nano-antennes s’est uniquement concentré sur la possibilité pour de tels objets de confiner et d’augmenter le champ électrique de la lumière afin de modifier les propriétés d'absorption ou d'émission des transitions dipolaires électriques, par exemple de boites quantiques ou de molécules fluorescentes. Peu d’études ont été réalisées sur les modifications des transitions liées à des dipôles magnétiques. Ceci découle du fait que, au niveau quantique, les transitions dipolaires magnétiques sont au moins deux ordres de grandeur plus faibles que les transitions dipolaires électriques. Pour cette raison, les interactions entre les émetteurs quantiques et les nano-structures photoniques ont souvent été supposées n'être supportées que par la partie électrique de la lumière, la composante magnétique optique étant généralement ignorée.
Cependant, il a été démontré récemment que de fortes transitions dipolaires magnétiques se trouvent dans une certaine classe de matériaux métalliques tels que les ions de terres rares. Les chercheurs ont donc naturellement exploré la manipulation de l'excitation et de l'émission des transitions dipolaires magnétiques de ces ions. En particulier, pour l’ion europium trivalent Eu3+, il a été démontré en utilisant une simple surface métallique, que l’émission spontanée d'une transition dipolaire magnétique pouvait être manipulée de la même manière qu’une transition dipolaire électrique. Mais jusqu'ici, seuls des travaux théoriques ont étudié et démontré la capacité de nano-structures optiques à modifier l’émission spontanée de transitions dipolaires magnétiques en manipulant la LDOS magnétique à l'échelle nanométrique. En ce qui concerne l’excitation des transitions dipolaires magnétiques, une récente étude a rapporté qu’il était possible, en utilisant un faisceau laser dont les champs électrique et magnétique ont été séparés spatialement, d’étudier l’excitation de transitions dipolaires magnétiques et de l’utiliser pour cartographier la partie magnétique de la lumière. Dans ce travail, nous allons nous concentrer sur la partie magnétique de la lumière en étudiant le couplage champ proche entre des nano-structures optiques et des nano-émetteurs quantiques possédant des transitions dipolaires magnétiques. En particulier, nous étudierons l’émission et l’absorption des transitions dipolaires magnétiques et nous démontrerons que l’émission de ces dernières peut être manipulée de la même façon que celles des transitions électriques.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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