Manipulating Electric and Magnetic Light-matter interactions at the nanoscale - Archive ouverte HAL
Hdr Année : 2021

Manipulating Electric and Magnetic Light-matter interactions at the nanoscale

Résumé

The interactions between light and matter are present absolutely everywhere around us, and since Maxwell's work, we understand them in a much clearer way. However, we are always discovering new facets of these interactions. In particular, since the revolution in nanofabrication techniques and ever-increasing computing capabilities, we are now able to design and fabricate objects of nanometric dimensions with totally new optical properties that are not possible with macroscopic materials. This revolution has led to new scientific and technological applications, the firsts of which have been developed in our laboratories only a few years ago. For example, we can cite applications in the medical field, to kill cancer cells, in photovoltaics, to create more efficient solar panels, in cosmetics, for specific properties of sun creams, in our screens, to obtain higher quality images and colors, or in space to create ultra-reflective solar sails, etc. Of course, we are still far from controlling humans with nanorobots using the 5G network, but the advances are still significant. Nanophotonics is remarkable in that it is now used in many fields of research. Something that was probably not foreseen at the beginning of near-field optics, the precursor field of nanophotonics. We can mention quantum information, certain parts of chemistry and biology, certain computer components, etc. In this manuscript, I will describe, through a few chapters, the most significant researches that have shaped my research career until today. In particular, I will detail a few selected studies that illustrate my main work themes, notably my work on the manipulation and increase of electric and magnetic optical fields and their coupling to matter. In the first part, I will describe how nanostructuring matter at nanometric scales can manipulate the electric and magnetic fields of light. In particular, by choosing suitable materials and shapes, I will explain how increasing these fields by several orders of magnitude is achievable. In the second part, I will describe examples of manipulating electric quantum emitters' emission via optical nano-antennas designed to control and concentrate the optical electric field. Finally, in the last part, I will explain how photonic nano-antennas engineered to exalt the optical magnetic field also allows manipulating quantum emitters' emission, this time, magnetic ones.
Les interactions entre la lumière et la matière sont présentes absolument partout autour de nous, et depuis les travaux de Maxwell, nous les comprenons de manière beaucoup plus claire. Cependant, nous découvrons toujours de nouvelles facettes de ces interactions. En particulier, depuis la révolution des techniques de nanofabrication et l'augmentation constante des capacités de calcul, nous sommes désormais en mesure de concevoir et de fabriquer des objets de dimensions nanométriques présentant des propriétés optiques totalement nouvelles, impossibles à obtenir avec des matériaux macroscopiques. Cette révolution a conduit à de nouvelles applications scientifiques et technologiques, dont les premières ont été développées dans nos laboratoires il y a seulement quelques années. Par exemple, nous pouvons citer des applications dans le domaine médical, pour tuer les cellules cancéreuses, dans le domaine photovoltaïque, pour créer des panneaux solaires plus efficaces, dans le domaine cosmétique, pour des propriétés spécifiques des crèmes solaires, dans nos écrans, pour obtenir des images et des couleurs de meilleure qualité, ou encore dans le domaine spatial pour créer des voiles solaires ultra-réfléchissantes, etc. Bien sûr, nous sommes encore loin de contrôler les humains avec des nanorobots en utilisant le réseau 5G, mais les avancées sont tout de même significatives. La nanophotonique est remarquable dans la mesure où elle est désormais utilisée dans de nombreux domaines de recherche. Quelque chose qui n'était probablement pas prévu au début de l'optique en champ proche, le domaine précurseur de la nanophotonique. On peut citer l'information quantique, certaines parties de la chimie et de la biologie, certains composants informatiques, etc. Dans ce manuscrit, je vais décrire, à travers quelques chapitres, les recherches les plus significatives qui ont façonné ma carrière de chercheur jusqu'à aujourd'hui. En particulier, je détaillerai quelques études choisies qui illustrent mes principaux thèmes de travail, notamment mes travaux sur la manipulation et l'augmentation des champs optiques électriques et magnétiques et leur couplage à la matière. Dans la première partie, je décrirai comment la nanostructuration de la matière à des échelles nanométriques permet de manipuler les champs électriques et magnétiques de la lumière. En particulier, en choisissant des matériaux et des formes adaptés, j'expliquerai comment il est possible d'augmenter ces champs de plusieurs ordres de grandeur. Dans la deuxième partie, je décrirai des exemples de manipulation de l'émission d'émetteurs quantiques électriques via des nano-antennes optiques conçues pour contrôler et concentrer le champ électrique optique. Enfin, dans la dernière partie, j'expliquerai comment les nano-antennes photoniques conçues pour exalter le champ magnétique optique permettent également de manipuler l'émission d'émetteurs quantiques, magnétiques cette fois.
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Dates et versions

tel-04017901 , version 1 (07-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04017901 , version 1

Citer

Mathieu Mivelle. Manipulating Electric and Magnetic Light-matter interactions at the nanoscale. Physics [physics]. Sorbonne université, 2021. ⟨tel-04017901⟩
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