Confinement extrême et tri de photons
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Confinement extrême et tri de photons Fabrice Pardo CNRS-Laboratoire de Photonique et Nanostructures 91460 Marcoussis, France [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 1/63 Équipe intégrée MINAO Micro et Nano-Optique CNRS Laboratoire de Photonique et Nanostructures Jean-Luc Pelouard, 4 permanents Marcoussis ONERA Département d'Optique Théorique et Appliquée équipe Conception Innovation en Optique Riad Haïdar, 4 permanents Palaiseau depuis 2005 ~12 thésards et post-doc. communs [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 2/63 CNRS-LPN Laboratoire Photonique et Nanostructures Marcoussis Domaines de recherche : ● ● ● ● ● ● Optique Quantique et NonLinéaire Nanostructures, Gaz d'électrons, Électronique de Spin Physique des Hétérostructures et Croissance Microfluidique et Nanostructures pour la Chimie et la Biologie Microélectronique et Dispositifs Photoniques Technologie des Semiconducteurs, des Nanostructures et Analyse ~ 150 p. http://www.lpn.cnrs.fr/ 1000 m2 salle blanches (dont classe 100) Réseau National Recherche Technologique de Base http://www.rtb.cnrs.fr/ [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 3/63 Projet C2N Centre de Nanosciences et de Nanotechnologie Paris-Saclay 2017 fusion LPN + IEF http://c2n.cnrs.fr/ 1000 m2 clean rooms [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 4/63 Confinement extrême et tri de photons Fabrice Pardo, Jean-Luc Pelouard, Nathalie Bardou, Christophe Dupuis, Laurence Ferlazzo Patrick Bouchon, Riad Haïdar, Julien Jaeck thèses : Patrick Bouchon, Charlie Koechlin, Benjamin Portier, Paul Chevalier (LPN-ONERA) Simon Vassant (LPN-IOGS) [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 5/63 Motivations Antennes optiques : – Confinement d'un faisceau incident à l'échelle nano Réduction du volume d'interaction pour : – Réduire le courant d'obscurité • photodiodes IR – Réduire les coûts matériau – Augmenter le rendement énergétique • photovoltaïque sous concentration gain sur Voptimum – Augmenter l'intensité du champ • sensibilité pour la détection chimie, bio – Créer des fonctions spectrales dans le pixel [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 6/63 Plan Ingénierie des Ondes Évanescentes – plasmonique – focalisation dans des structures arbitrairement petites Interlude : résonances phonons-polaritons – volume lambda3 / 100 000 Combinaison de résonateurs sublambda – Tri de photons – Détecteurs ou absorbeurs large bande Résonateur de Helmholtz optique – Exaltation et confinement extrèmes [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 7/63 Les antennes guide d'onde ~ λ Cable coaxial << λ ~λ/2 >>λ qq λ Antenne parabolique Antenne Yagi-Uda Dimensions comparables à λ [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 8/63 En optique Lentille ou miroir Taille de spot minimale ~ λ [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 9/63 Concentration sub-lambda Dipolar antenna ~ λ/2 Coaxial cable << λ [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 10/63 Concentration sub-lambda Antenne dipolaire ~ λ/2 Cable coaxial << λ fente ~ (λ/2) × (<<λ) [ici @2.4 GHz] Antenne à fente [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 11/63 Fentes nanométriques absorbantes Étude facile (mesure de la réflectivité) Modèle du noir d'or, noir d'argent fentes intergrains, théorie avec un réseau de fentes Le Perchec et al, PRL 100, 066408 (2008) [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 12/63 Fentes nanométriques absorbantes Étude facile (mesure de la réflectivité) Modèle du noir d'or, noir d'argent fentes intergrains, théorie avec un réseau de fentes Le Perchec et al, PRL 100, 066408 (2008) Réalisation d'un absorbant IR parfait d = 2500 nm, h = 2000 nm, w = 150 nm P. Bouchon et al, Appl.Phys.Lett. 98 (2011) 191109 [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 13/63 Réseau de fentes, étude expérimentale polarisation TM, d = 2500 nm, h = 2000 nm, w = 150 nm P. Bouchon et al, Appl.Phys.Lett. 98 (2011) 191109 résonance localisée : absorption dans les fentes [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 14/63 Interlude théorique Optique des métaux (Drude 1900) Modes plasmoniques (à la Fresnel) Modes MIM : guide d'onde plan ou plasmons couplés ? [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 15/63 Optique des métaux Modèle des électrons libres (Drude 1900) ε(λ ) = 1− 1 ( + transitions interbandes dans le visible (l'or est jaune) λp λp +i γ λ λ ) { λ p = 140 nm Au : γ = 0.005 { { Olmon et al, Phys. Rev. B, 86, 235147 (2012) λ p = 2 π c / ωp γ = 1/(ω p τ opt .) √ 2 π me λp = = π e μ0 N N re τ opt . = 14 fs me σ τ BF = = 27 fs = 2× τopt . 2 Ne √ [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris r e = 2.8 fm(rayon classique de l ' électron ) 16/63 Radio vs. Optique m = 1− 1 p p i p ≃ 20 m [15 THz] Profondeur de peau, décroissance de l'amplitude = 2 ℑn n= Radio (< 1 THz) m ≃ i p ≃ s Optique √ 2 λ nm ≃ (1+i) 2 γ λp s= ℑ n = coefficient d ' extinction p 2 2 =10 −11 m ≃ − 2 p m ≃ nm ≃ i λ λp p ≃ 25 nm 2 Au Électromagnétisme des métaux : deux situations différentes [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 17/63 Plasmons de surface Deux ondes planes inhomogènes en polarisation TM d Hy k z,d k z,m εd − εm r= k z , d k z ,m εd + εm x m Fresnel en TM, 3 ondes kz ,d kz ,m =0 d m Si 2 ondes z 2 2 k x = d 2 1− d − m c −1 2 d 2 c 2 ⇒ k z,d 0 Décroissance exponentielle de part et d'autre de l'interface [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 18/63 Relation de dispersion du plasmon de surface 5 =−1,≈ p / 2 d Hy Dispersion du plasmon de surface localisé 4 3 −1 [ m ] 2 c x 2 1 m propagatif 0 0 10 kx −1 [ m ] 2 z 2 2 k x = d 2 1− d − m c −1 20 2 d 2 c Deux régimes : localisé par kx et propagatif [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 19/63 Plasmons de surface, modes localisés Vide-métal : p d m ≃ −1, ≃ , ≪c d k 2 x 2 kx = −1 1 1 m c2 grands kx, grande densité d'états 5 =−1,≈ p / 2 2 Dispersion du plasmon de surface localisé 4 3 −1 [ m ] 2 c 2 1 0 0 propagatif 10 kx −1 [ m ] 2 20 Observables par perte d'énergie d'un faisceau électronique [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 20/63 Plasmons de surface, modes localisés Vide-métal : p d m ≃ −1, ≃ , ≪c d k 2 x 2 kx = 2 −1 1 1 m c2 grands kx, grande densité d'états Prévus par Ritchie en 1955, violemment contesté par D. Gabor* * invente l'holographie en 1948 Observés en 1959 [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 21/63 Structures plasmoniques Metal-Isolant-Metal H E Métal parfait : Onde plane k = /c Onde plane k = / c Métal réel : Deux plasmons k / c Plasmons couplés k ≫ /c Mode MIM de fort indice effectif [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 22/63 Modes MIM de fort indice effectif neff ≈n d 1 w Collin et al, Opt. Expr. 15, 4310 (2007) Profondeur de peau optique Au = 25 nm [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 23/63 Absorption dans les sillons d'or = effet entonnoir h = 640 nm w = 56 nm d = 2000 nm w/d = 3 % F. Pardo et al, Phys.Rev.Lett. 107 (2011) 093902 résonance localisée : absorption dans les fentes [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 24/63 Mécanisme de l'effet entonnoir Hi, Ei : onde incidente He, Ee : champ évanescent Hr, Er : onde réfléchie = 0 à la resonance rôle des plasmons de surface dans la propagation de l'énergie ? Vecteur de Poynting S = E×H [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 25/63 Onde incidente [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 26/63 Champ évanescent 0 à l'incidence normale ! ` F. Pardo et al, Phys.Rev.Lett. 107 (2011) 093902 Les plasmons de surface ne propagent pas ici l'énergie vers le sillon [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 27/63 Interférence magnéto-électrique Interférence classique E·E |E1+E2|2 E1 · E2 [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 28/63 Interférence magnéto-électrique Interférence classique E·E |E1+E2|2 E1 · E2 Interférence magnéto-électrique E×H (E1+E2)×(H1+H2) E1 × H2 + E2 × H1 [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 29/63 Interférence magnéto-électrique Interférence classique E·E |E1+E2|2 E1 · E2 Interférence magnéto-électrique E×H (E1+E2)×(H1+H2) E1 × H2 + E2 × H1 - Évanescent × Évanescent - Effet tunnel optique [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 30/63 Interférence magnéto-électrique Interférence classique E·E |E1+E2|2 E1 · E2 Interférence magnéto-électrique E×H (E1+E2)×(H1+H2) E1 × H2 + E2 × H1 - Évanescent × Évanescent - Effet tunnel optique - Incident × Diffracté - diffusion de Mie généralisé par Miyazaki (IEEE JSTQE 2008) [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 31/63 Interférence magnéto-électrique Interférence classique E·E |E1+E2|2 E1 · E2 Interférence magnéto-électrique E×H (E1+E2)×(H1+H2) E1 × H2 + E2 × H1 - Évanescent × Évanescent - Effet tunnel optique - Incident × Diffracté - diffusion de Mie généralisé par Miyazaki (IEEE JSTQE 2008) - Champ Incident Donné × Champ Evanescent Construit IME redirige l'énergie depuis la surface vers le sillon [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 32/63 L'interférence magnéto-électrique = + F. Pardo et al, Phys.Rev.Lett. 107 (2011) 093902 Le champ évanescent est construit autour du sillon Absorption totale due à la résonance La résonance est-elle nécessaire ? [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 33/63 Angle de Brewster plasmonique Angle de Breswter Plasmonique sur un réseau de fentes (réflexion nulle) longueur d'onde λ = 759 nm angle d'incidence θ = 68.60◦ métal = −24.7 + 1.44 i largeur de fente w = 24 nm période d = 96 nm hauteur h = 200 nm Pas de réflexion = effet entonnoir parfait dans les fentes Métamatériau à l'angle de Brewster [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 34/63 Angle de Brewster plasmonique, interprétations - Xian-Rong Huang : modèle exotique des plasmons Phys. Rev. Lett. 105 (2010) 243901 Très discutable - Alù : approche métamatériau Phys. Rev. Lett. 106 (2011) 123902 Approximation de Maxwell-Garnett - Mécanisme de l'interférence Magnéto-électrique Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 093902 EPAPS Pas de résonance [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 35/63 Interlude : une découverte sérendipitique (Qui n'est pas le fruit d'une créativité programmée ni... financée) [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 36/63 Un autre système, les phonons-polaritons Zone du restrahlen : diélectrique polaire devient “métallique” GaAs : autour de 35 µm L'optique c'est ici plus que l'électronique, les ions bougent [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 37/63 Excitation de phonons-polaritons de surface (collaboration JJ Greffet, IOGS) Réseau de GaAs (période = 35 µm) S. Vassant et al., Appl. Phys. Lett., 97, 161101 (2010) [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 38/63 Excitation de phonons-polaritons de surface Absorption du rayonnement polarisé TM vers 8.6 THz S. Vassant et al., Appl. Phys. Lett., 97, 161101 (2010) [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 39/63 Rappel : fabrication du moule GaAs Dessin de lignes dans PMMA (résine acrylique, lithographie électronique Leica Vistec EBPG) Lift-off 70 nm Ni Gravure RIE-ICP (ionique réactive, induced current plasma O2+HBr) [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 40/63 Une découverte sérendipitique Un programme achevé (LPN-IOGS) Le moule d'un autre programme (LPN-ONERA) “Prête-moi ton moule, que je le passe dans mon FTIR” S. Vassant [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 41/63 Une découverte sérendipitique w = 80 nm h = 800 nm d = 2.5 µm Pic d'absorption vers 35.5 µm, modulable S. Vassant et al., Appl. Phys. Lett. 100, 091103 (2012) + brevet [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 42/63 Résonateur plasmon-phonons polaritons Cavité volume lambda3 / 100 000 S. Vassant et al., Appl. Phys. Lett. 100, 091103 (2012) + brevet [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 43/63 Retour aux antennes fentes Occupent une faible fraction de la surface d'or Sont résonantes (Q ~ 10) Peut-on les combiner dans un même espace sub-lambda? OUI [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 44/63 Combinaison de résonateurs sillons Absorption totale sur une large bande [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 45/63 Combinaison de résonateurs sillons largeur hauteur pic [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris (nm) (nm) (nm) 65 491 3200 19 390 3400 25 460 3600 34 540 3800 49 630 4000 76 720 4200 99 784 4400 200 880 4650 46/63 Concentration de l'énergie λ = 3.200 µm w = 0.019 µm w = 0.065 µm d = 2.500 µm [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 47/63 Réalisation avec des structures biMIM “fentes” horizontales C. Koechlin et al, Appl.Phys.Lett. 99 (2011) 241104 [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 48/63 Structure BiMIM Tri de photons Absorption totale localisée Loi de combinaison A = A1 + A2 R = R1 × R2 (probabilité d'échapper) C. Koechlin et al, Appl.Phys.Lett. 99 (2011) 241104 [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 49/63 QuadriMIM non polarisant d = 5.3 µm w = 1.64, 1.78, 1.91, 2.07 µm hAu = 50 nm hZnS = 290 nm P. Bouchon et al, Opt.Lett. 99 (2011) 241104 [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 50/63 QuadriMIM non polarisant 4 canaux indépendants P. Bouchon et al, Opt.Lett. 99 (2011) 241104 [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 51/63 tri de photons BiMIM L'interference magnéto-électrique redirige l'énergie [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 52/63 Empilement MIM vertical P. Chevalier et al J. Nanophoton. 6, 063534 (2012) [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 53/63 Concentration extrême Peut-on réduire la largeur de fente tout en couplant ~100% du faisceau incident ? Oui : à 23.94 carats noir à 4 µm 99.75 % or pur 0.25 % air (cinq sillons 4 nm, espace 1600 nm) des boites résonnantes derrière [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 54/63 Échelle optique classique 99 % absorption [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris polarisation TM 55/63 Échelle du champ proche Puissance constante entre deux lignes du vecteur de Poynting Focalisation totale à travers une fente 4 nm (λ/1000), hauteur 18 nm dans une boite résonnante 100 nm × 380 nm (λ/10) [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 56/63 Pourquoi λ/10 et pas λ/4 ? Paul Chevalier résonateur de Helmholtz optique [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 57/63 Pourquoi λ/10 et pas λ/4 ? √ hs λ = 2 π w b hb ws √ 1 = 2 π 0.10.1 0.025 0.001 Paul Chevalier et al, Appl. Phys. Lett.105, 071110 (2014) résonateur de Helmholtz optique [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 58/63 La boite est purement magnétique... Paul Chevalier et al, Appl. Phys. Lett.105, 071110 (2014) [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 59/63 La boite est purement magnétique... ...la fente est purement électrique Paul Chevalier et al, Appl. Phys. Lett.105, 071110 (2014) fonctionnement quasistatique : circuit LC [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 60/63 Système indépendant de la polarisation Paul Chevalier et al, to be published [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 61/63 Exaltation du champ Couplage purement électrique Section efficace ~λ Fente arbitrairement étroite 108 @ 200 µm (1.5 THz) Exaltation |E/E0|2 ~ (λ/w)2 Malgré un facteur de qualité modéré (10 à 20) 2/ 3 1/3 w b hb √ 1 2πd Q NR = ( ) ( ) λ ℜ(1/ nm ) 2(hb + wb) ℜ(1/ nm )= γ/ 2... avenir brillant ! [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 62/63 Conclusion Interférence magnéto-électrique = + Nouveau paradigme pour la nano-optique L'énergie est focalisée par interférence incident × évanescent Non par la propagation latérale de l'onde évanescente (sauf cas particulier) Combinaison de systèmes résonnants dans un espace sub- Détecteurs large bande Détecteurs à réponse spectrale choisie Tri des photons pour des détecteurs multispectraux et le photovoltaïque Pas besoin d'antenne collectrice (comme Yagi-Uda or Papillon) Résonateur de Helmholtz : exaltation 108 dans toute la fente [email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 63/63
