Émission dipolaire et absorption en champ - Institut Langevin

THÈSE DE DOCTORAT
DE L’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
Spécialité
Physique
(ED 389 - La Physique de la Particule à la Matière Condensée)
Préparée à l’Institut Langevin - Ondes et Images
Présentée par
Étienne Castanié
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR de l’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
Sujet de la thèse :
Émission dipolaire et absorption
en champ proche de nanostructures
Soutenue le 4 novembre 2011
devant le jury composé de :
M. Adam Philippe Invité
M. Carminati Rémi Directeur de thèse
M. De Wilde Yannick Invité
Mme Maître Agnès Examinateur
M. Quidant Romain Rapporteur
M. Rigneault Hervé Président
M. Roch Jean-François Rapporteur
M. Sáenz Juan-José Examinateur
Université Pierre & Marie Curie - Paris VI Tél Secrétariat : 01 44 27 28 01
Bureau d’accueil Fax : [phone]
Inscription des doctorants et base de données Tél pour les étudiants de A à EL : 01 44 27 28 07
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75270 PARIS Cedex 06 E-mail : scolarite.do[email protected]
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Remerciements
La thèse est parfois présentée comme un projet personnel, porté par le doctorant uni- quement, et dont la réussite dépend quasi-intégralement du niveau et de l’implication
de ce dernier. Ceci n’est pas entièrement vrai. En effet, outre le doctorant, la réussite d’une
thèse passe également par un encadrement - au sens large - de qualité. Cet encadrement
désigne tout d’abord l’environnement scientifique dans lequel évolue le doctorant, mais
décrit également le soutien au niveau administratif, ainsi que l’atmosphère présente sur
le lieu de travail.
Concernant ces trois points, j’ai eu la chance durant ma thèse d’évoluer dans un labo-
ratoire qui m’a offert un encadrement de grande qualité. Je vais maintenant m’attacher à
remercier ceux qui ont personnellement contribué à la réussite de mes travaux durant ces
36 derniers mois.
Tout d’abord, je tiens à remercier Jean-François Roch et Romain Quidant d’avoir
accepté d’être les rapporteurs de ce manuscrit. Je remercie également Hervé Rigneault,
Agnès Maître, Juan-José Sáenz et Philippe Adam, qui ont accepté de faire partie de mon
jury de thèse. Leur intérêt ainsi que leur maîtrise technique des sujets de cette thèse ont
permis des échange de qualité durant la soutenance.
Je remercie la Direction Générale de l’Armement qui a financièrement soutenu ma
thèse.
Les deux personnes auxquelles je dois le plus sont mes encadrants, Rémi Carminati et
Yannick De Wilde. Grâce à eux, j’ai eu l’occasion de travailler à la fois avec un théoricien
et un expérimentateur, ce qui m’a grandement aidé dans la compréhension de la nanopho-
tonique. Je souhaite à tout doctorant, lorsque c’est possible, d’avoir l’occasion de prendre
connaissance de son sujet de thèse à la fois du point de vue du théoricien et de celui de
l’expérimentateur. Leur disponibilité et leur enthousiasme m’ont permis d’avancer sans
grandes difficultés durant ma thèse.
Il n’est pas humainement possible de faire la liste exhaustive des qualités de Rémi
et Yannick, je me vois donc contraint de ne développer que quelques aspects qui font
d’eux des excellents directeurs de thèse. Le premier aspect de la personnalité de Rémi
auquel je veux rendre hommage est le suivant : bien que théoricien, Rémi possède une
excellente connaissance du monde expérimental. Cela lui permet à la fois de discuter
avec les expérimentateurs des résultats d’expériences dans un langage commun, mais
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aussi de proposer des idées d’expériences prenant en compte les limites inhérentes aux
réalités expérimentales. Ce lien fort entre théorie et expérience a été grâce à lui un des
fils conducteurs de ma thèse, et je l’en remercie.
Le deuxième trait de Rémi qui m’a beaucoup marqué est par certains aspects semblable
au Reality Distortion Field de Steve Jobs : lorsque je vais (encore aujourd’hui) poser
une question de Physique à Rémi, je repars systématiquement avec une motivation sans
faille après la discussion ! Cela est valable quelque soit mon état de motivation avant la
discussion, et m’a souvent permis de retrouver l’envie d’avancer lorsque les difficultés me
semblaient trop importantes.
Yannick a été mon encadrant pour la partie expérimentale de ma thèse. Il a été présent
durant toutes les phases de développement du montage expérimental, et j’ai énormément
appris à son contact. C’est lui qui m’a fait découvrir à quel point l’inventivité et la colle
vont de pair ! Grâce à lui j’ai pu découvrir le développement instrumental sous toutes ses
coutures. Son talent s’est exprimé en particulier lorsque nous avons débuté le montage
de l’AFM, Yannick démontrant à ce moment qu’il est possible de développer et réaliser
un AFM fonctionnel en quelques semaines, nous permettant d’aller au plus vite vers les
procédures d’accrochage des sources. Sa grande modestie et son talent d’expérimentateur
le classent donc naturellement dans le top quartile de l’effet Dunning-Kruger 1.
Tous les résultats expérimentaux ainsi que leurs interprétations présents dans ce ma-
nuscrit proviennent d’un travail d’équipe. J’ai eu la chance de travailler aux côtés de Va-
lentina Krachmalnicoff depuis bientôt deux ans, et j’ai aujourd’hui beaucoup de raisons
de la remercier chaleureusement. Je lui dois tout ce qui fait de moi un expérimentateur.
C’est grâce à elle que je suis passé d’un élève d’école d’ingénieur qui fait un TP en suivant
son protocole à un doctorant capable de résoudre des problèmes nouveaux. Sa rigueur,
sa motivation et sa capacité à persévérer jusqu’à trouver une solution à chaque problème
forcent le respect et l’admiration. J’ai été ravi de travailler au quotidien avec Valentina,
et je ne doute pas que ses futurs équipiers constaterons comme moi qu’elle dispose de
qualités humaines et scientifiques exceptionnelles.
Durant toute ma thèse nous avons partagé le montage expérimental avec Sébastien
Bidault et Mickaël Busson. Je les remercie pour leur aide durant le développement de notre
manip’ et nos premiers pas en mesure de temps de vie de fluorescence. En particulier, je
remercie Sébastien pour ses nombreux conseils d’opticien chevronné, et sa patience que je
testais en lui demandant régulièrement comment aligner le laser en entrée du microscope.
J’ai mis ses nerfs à rude épreuve en allant le déranger dans son bureau plusieurs fois
par jour, parfois pour des questions de fonctions de Green, parfois pour des questions de
Linux, ou encore pour des questions basiques de diffusion multiple. Il a été patient même
lorsque je revenais lui poser plusieurs fois la même question, et même s’il a tenu bon face
à mes tentatives de le faire passer sous mac, merci pour tout Romain !
1. "However [...], those in the top quartile once again tended to underestimate their ability.", Journal
of Personality and Social Psychology, 1999, Vol. 77, No. 6. 1121-1134.
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Mon départ du laboratoire ne laissera pas Rémi sans doctorant, puisque mon petit
frère de thèse Alexandre Cazé reste à ses côtés pour encore deux ans. J’ai beaucoup
de raisons de remercier Alex pour les échanges que nous avons pu avoir, plus souvent
sur la manière de vivre sa vie plutôt qu’à propos des films métalliques semi-continus.
Toutefois, outre ses réflexions philosophiques et son enthousiasme constant, je le remercie
(et le félicite) également pour l’aide précieuse qu’il nous a apportée en approfondissant
le sujet du caractère fractal des amas d’or. A ce sujet, la section 1.4 du chapitre 3 du
présent document a bénéficié de ses lumières, permettant d’expliquer de manière simple
le phénomène de la fractalité de contour des amas d’or.
S’il nous est arrivé quelque fois de manquer de matériel, nos fournisseurs-prêteurs
officiels en matière de lentilles, translations, montures et autres outils étaient Gilles Tessier
et Sylvain Gigan. Grâce à leurs immenses ressources matérielles et générosité, nous avons
toujours pu trouver une solution à nos difficultés techniques.
Lorsque nous avons débuté nos expériences sur les films d’or semi-continus, nous avons
eu la chance de bénéficier des connaissances et de l’expertise de l’équipe d’Emmanuel
Fort et Samuel Grésillon dans ce domaine. En particulier, je tiens à remercier Karla,
Julie, Olivier et Thomas, qui nous ont donné de précieux conseils quant à l’utilisation du
bâti de dépôt et des billes fluorescentes.
Les images de microscopie électronique à transmission du chapitre 3 ont été réalisées
par Xiangzhen Xu. Merci à elle pour ce travail de qualité, ainsi que pour les images à très
haute résolution qui nous ont permis de voir les rangées atomiques des grains d’or !
Lorsque les échantillons que nous pouvions fabriquer ou acquérir nous-même ne nous
suffisaient plus, nous nous sommes adressés à Géraldine Dantelle (pour les nanodiamants)
et à Stéphane Collin (pour les nanoantennes optiques). Merci à eux pour leur disponibilité
et leur professionnalisme.
Un montage expérimental a peu de chances d’être finalisé sans mécaniciens chevronnés.
Merci à Ludovic et à Abdel pour leur aide précieuse en matière de conception et réalisation
mécanique.
Partir en conférence en Autriche ou acheter des fixations Thorlabs (sans me tromper
la deuxième fois) n’aurait pas été possible sans le concours de Delphine, Christelle et
Stéphanie : merci à elles !
J’ai eu la chance de travailler dans le meilleur bureau du monde, aux côtés des plus
grands : Virginie (Dr. Moreau), Sarah, Hugues, Valentina, Rémi. L’ambiance régnant dans
le bureau a été parfaite durant ces trois années. Toujours prompts à rire et à manger des
bonbons, mes co-bureaux m’ont offert une ambiance de travail idéale !
Même si elle n’en faisait pas partie, elle a largement mérité sa place dans le meilleur
bureau du monde : merci à Salma pour ses visites fréquentes, ses gâteaux marocains, les
notions musicales qu’elle a tenté de m’inculquer, et plus encore ! En particulier, merci à
Salma et Sarah pour leur bonne humeur durant nos trois mois de rédaction commune. La
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